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Resumen
Los tratamientos convencionales de aguas residuales no logran mineralizar compuestos
orgaacutenicos refractarios por lo que se han implementado los Tratamientos de Oxidacioacuten
Avanzados (TAO por sus siglas ingles) En este proyecto se realizoacute una evaluacioacuten del
comportamiento de dos de las TAO que han presentado mejores resultados en la literatura
durante la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias fotocataacutelisis y sonocataacutelisis
asiacute tambieacuten se estudioacute la sinergia de estas tecnologiacuteas Se utilizoacute un catalizador industrial
TiO2 Degussa P-25 durante la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias tomando
como moleacutecula modelo a ser mineralizada la Rodamina B
La mejor tecnologiacutea se dimensionoacute a nivel industrial construyendo un modelo del reactor
en el cual se acoplaron los fenoacutemenos de transporte de masa por conveccioacuten dispersioacuten y
cineacuteticos debido a reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas en la superficie cataliacutetica Para
el desarrollo del modelo del reactor primero se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel
laboratorio donde se disentildeoacute y construyoacute un fotosonoreactor para llevar a cabo los
experimentos correspondientes que permitieron desarrollar los modelos cineacuteticos que
consideraron tanto reacciones homogeacuteneas como heterogeacuteneas que siguieron el formalismo
de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson Los modelos cineacuteticos describieron el
comportamiento cineacutetico observado
Para el modelado del reactor industrial se realizaron simulaciones con ayuda de un
software computacional para cada tecnologiacutea Los mejores resultados se obtuvieron para
la fotosonocataacutelisis y la fotocataacutelisis No obstante por cuestiones de costo debidas a la
regeneracioacuten del catalizador por fenoacutemenos de cavitacioacuten en la superficie cataliacutetica se
considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea maacutes viable que la
fotocataacutelisis para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales previamente tratadas con los procesos convencionales Finalmente a esta
tecnologiacutea se le realizoacute un anaacutelisis econoacutemico y de riesgos para conocer su factibilidad para
un futuro escalamiento
3
Contenido
Capiacutetulo 1 13
1 Generalidades 13
11 Tratamientos de aguas residuales 13
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO) 14
13 Fotocataacutelisis 15
14 Sonocataacutelisis 16
Capiacutetulo 2 18
2 Estado del arte 18
Capiacutetulo 3 19
3 Problema y objetivos 19
31 Planteamiento del problema 19
32 Objetivos 20
321 Objetivo general 20
322 Metas 20
Capiacutetulo 4 21
4 Metodologiacutea 21
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio 21
411 Catalizador TiO2 21
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B) 22
413 Fotosonoreactor 23
42 Equipo analiacutetico 26
Capiacutetulo 5 27
5 Modelos 27
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B 27
511 Cineacutetica 28
Capiacutetulo 6 33
6 Resultados y discusioacuten 33
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio 33
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis 33
4
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis 34
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis 36
614 Degradacioacuten de Rodamina B 37
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios 38
616 Formacioacuten de mineralizados iexclError Marcador no definido
62 Cineacutetica 40
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos 40
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 42
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos 43
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 45
Capiacutetulo 7 46
Disentildeo de la planta de tratamiento 46
72 Diagrama del proceso 47
73 Dimensionamiento 48
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial 49
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico 50
Disentildeo de equipos perifeacutericos 55
733Bomba 55
734Tuberiacuteas 55
735 Compresor 55
736 Vaacutelvulas 55
737 Sonicador 56
74 Anaacutelisis econoacutemico 56
741 Inversioacuten inicial del proceso 56
742 Costos de produccioacuten 57
75 Evaluacioacuten de riesgos 58
751 Anaacutelisis por equipo de proceso 61
Conclusiones 62
Referencias 63
Apeacutendice A 65
Curva de calibracioacuten 65
5
Apeacutendice B 67
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten de carbono en ppm 67
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total 67
Apeacutendice C 70
Modelo cineacutetico 70
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica 71
Apeacutendice D 74
Estimacioacuten de paraacutemetros 74
Apeacutendice E 75
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten 75
Apeacutendice F 76
Escalamiento del reactor 76
Apeacutendice G 78
Dimensionamiento de equipos 78
Tuberiacuteas 78
Disentildeo de la bomba 79
Disentildeo del Compresor 83
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi maacutex 84
Disentildeo del distribuidor 86
Disentildeo de las laacutemparas 90
Disentildeo del sonicador 91
Apeacutendice H 92
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total 92
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
2
Resumen
Los tratamientos convencionales de aguas residuales no logran mineralizar compuestos
orgaacutenicos refractarios por lo que se han implementado los Tratamientos de Oxidacioacuten
Avanzados (TAO por sus siglas ingles) En este proyecto se realizoacute una evaluacioacuten del
comportamiento de dos de las TAO que han presentado mejores resultados en la literatura
durante la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias fotocataacutelisis y sonocataacutelisis
asiacute tambieacuten se estudioacute la sinergia de estas tecnologiacuteas Se utilizoacute un catalizador industrial
TiO2 Degussa P-25 durante la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias tomando
como moleacutecula modelo a ser mineralizada la Rodamina B
La mejor tecnologiacutea se dimensionoacute a nivel industrial construyendo un modelo del reactor
en el cual se acoplaron los fenoacutemenos de transporte de masa por conveccioacuten dispersioacuten y
cineacuteticos debido a reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas en la superficie cataliacutetica Para
el desarrollo del modelo del reactor primero se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel
laboratorio donde se disentildeoacute y construyoacute un fotosonoreactor para llevar a cabo los
experimentos correspondientes que permitieron desarrollar los modelos cineacuteticos que
consideraron tanto reacciones homogeacuteneas como heterogeacuteneas que siguieron el formalismo
de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson Los modelos cineacuteticos describieron el
comportamiento cineacutetico observado
Para el modelado del reactor industrial se realizaron simulaciones con ayuda de un
software computacional para cada tecnologiacutea Los mejores resultados se obtuvieron para
la fotosonocataacutelisis y la fotocataacutelisis No obstante por cuestiones de costo debidas a la
regeneracioacuten del catalizador por fenoacutemenos de cavitacioacuten en la superficie cataliacutetica se
considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea maacutes viable que la
fotocataacutelisis para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales previamente tratadas con los procesos convencionales Finalmente a esta
tecnologiacutea se le realizoacute un anaacutelisis econoacutemico y de riesgos para conocer su factibilidad para
un futuro escalamiento
3
Contenido
Capiacutetulo 1 13
1 Generalidades 13
11 Tratamientos de aguas residuales 13
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO) 14
13 Fotocataacutelisis 15
14 Sonocataacutelisis 16
Capiacutetulo 2 18
2 Estado del arte 18
Capiacutetulo 3 19
3 Problema y objetivos 19
31 Planteamiento del problema 19
32 Objetivos 20
321 Objetivo general 20
322 Metas 20
Capiacutetulo 4 21
4 Metodologiacutea 21
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio 21
411 Catalizador TiO2 21
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B) 22
413 Fotosonoreactor 23
42 Equipo analiacutetico 26
Capiacutetulo 5 27
5 Modelos 27
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B 27
511 Cineacutetica 28
Capiacutetulo 6 33
6 Resultados y discusioacuten 33
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio 33
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis 33
4
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis 34
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis 36
614 Degradacioacuten de Rodamina B 37
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios 38
616 Formacioacuten de mineralizados iexclError Marcador no definido
62 Cineacutetica 40
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos 40
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 42
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos 43
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 45
Capiacutetulo 7 46
Disentildeo de la planta de tratamiento 46
72 Diagrama del proceso 47
73 Dimensionamiento 48
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial 49
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico 50
Disentildeo de equipos perifeacutericos 55
733Bomba 55
734Tuberiacuteas 55
735 Compresor 55
736 Vaacutelvulas 55
737 Sonicador 56
74 Anaacutelisis econoacutemico 56
741 Inversioacuten inicial del proceso 56
742 Costos de produccioacuten 57
75 Evaluacioacuten de riesgos 58
751 Anaacutelisis por equipo de proceso 61
Conclusiones 62
Referencias 63
Apeacutendice A 65
Curva de calibracioacuten 65
5
Apeacutendice B 67
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten de carbono en ppm 67
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total 67
Apeacutendice C 70
Modelo cineacutetico 70
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica 71
Apeacutendice D 74
Estimacioacuten de paraacutemetros 74
Apeacutendice E 75
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten 75
Apeacutendice F 76
Escalamiento del reactor 76
Apeacutendice G 78
Dimensionamiento de equipos 78
Tuberiacuteas 78
Disentildeo de la bomba 79
Disentildeo del Compresor 83
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi maacutex 84
Disentildeo del distribuidor 86
Disentildeo de las laacutemparas 90
Disentildeo del sonicador 91
Apeacutendice H 92
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total 92
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
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0
1
2
3
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5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
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31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
3
Contenido
Capiacutetulo 1 13
1 Generalidades 13
11 Tratamientos de aguas residuales 13
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO) 14
13 Fotocataacutelisis 15
14 Sonocataacutelisis 16
Capiacutetulo 2 18
2 Estado del arte 18
Capiacutetulo 3 19
3 Problema y objetivos 19
31 Planteamiento del problema 19
32 Objetivos 20
321 Objetivo general 20
322 Metas 20
Capiacutetulo 4 21
4 Metodologiacutea 21
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio 21
411 Catalizador TiO2 21
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B) 22
413 Fotosonoreactor 23
42 Equipo analiacutetico 26
Capiacutetulo 5 27
5 Modelos 27
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B 27
511 Cineacutetica 28
Capiacutetulo 6 33
6 Resultados y discusioacuten 33
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio 33
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis 33
4
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis 34
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis 36
614 Degradacioacuten de Rodamina B 37
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios 38
616 Formacioacuten de mineralizados iexclError Marcador no definido
62 Cineacutetica 40
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos 40
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 42
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos 43
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 45
Capiacutetulo 7 46
Disentildeo de la planta de tratamiento 46
72 Diagrama del proceso 47
73 Dimensionamiento 48
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial 49
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico 50
Disentildeo de equipos perifeacutericos 55
733Bomba 55
734Tuberiacuteas 55
735 Compresor 55
736 Vaacutelvulas 55
737 Sonicador 56
74 Anaacutelisis econoacutemico 56
741 Inversioacuten inicial del proceso 56
742 Costos de produccioacuten 57
75 Evaluacioacuten de riesgos 58
751 Anaacutelisis por equipo de proceso 61
Conclusiones 62
Referencias 63
Apeacutendice A 65
Curva de calibracioacuten 65
5
Apeacutendice B 67
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten de carbono en ppm 67
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total 67
Apeacutendice C 70
Modelo cineacutetico 70
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica 71
Apeacutendice D 74
Estimacioacuten de paraacutemetros 74
Apeacutendice E 75
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten 75
Apeacutendice F 76
Escalamiento del reactor 76
Apeacutendice G 78
Dimensionamiento de equipos 78
Tuberiacuteas 78
Disentildeo de la bomba 79
Disentildeo del Compresor 83
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi maacutex 84
Disentildeo del distribuidor 86
Disentildeo de las laacutemparas 90
Disentildeo del sonicador 91
Apeacutendice H 92
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total 92
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
Referencias
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[35] Apuntes LPD
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[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
4
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis 34
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis 36
614 Degradacioacuten de Rodamina B 37
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios 38
616 Formacioacuten de mineralizados iexclError Marcador no definido
62 Cineacutetica 40
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos 40
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 42
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos 43
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos 45
Capiacutetulo 7 46
Disentildeo de la planta de tratamiento 46
72 Diagrama del proceso 47
73 Dimensionamiento 48
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial 49
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico 50
Disentildeo de equipos perifeacutericos 55
733Bomba 55
734Tuberiacuteas 55
735 Compresor 55
736 Vaacutelvulas 55
737 Sonicador 56
74 Anaacutelisis econoacutemico 56
741 Inversioacuten inicial del proceso 56
742 Costos de produccioacuten 57
75 Evaluacioacuten de riesgos 58
751 Anaacutelisis por equipo de proceso 61
Conclusiones 62
Referencias 63
Apeacutendice A 65
Curva de calibracioacuten 65
5
Apeacutendice B 67
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten de carbono en ppm 67
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total 67
Apeacutendice C 70
Modelo cineacutetico 70
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica 71
Apeacutendice D 74
Estimacioacuten de paraacutemetros 74
Apeacutendice E 75
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten 75
Apeacutendice F 76
Escalamiento del reactor 76
Apeacutendice G 78
Dimensionamiento de equipos 78
Tuberiacuteas 78
Disentildeo de la bomba 79
Disentildeo del Compresor 83
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi maacutex 84
Disentildeo del distribuidor 86
Disentildeo de las laacutemparas 90
Disentildeo del sonicador 91
Apeacutendice H 92
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total 92
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
Referencias
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
5
Apeacutendice B 67
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten de carbono en ppm 67
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total 67
Apeacutendice C 70
Modelo cineacutetico 70
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica 71
Apeacutendice D 74
Estimacioacuten de paraacutemetros 74
Apeacutendice E 75
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten 75
Apeacutendice F 76
Escalamiento del reactor 76
Apeacutendice G 78
Dimensionamiento de equipos 78
Tuberiacuteas 78
Disentildeo de la bomba 79
Disentildeo del Compresor 83
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi maacutex 84
Disentildeo del distribuidor 86
Disentildeo de las laacutemparas 90
Disentildeo del sonicador 91
Apeacutendice H 92
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total 92
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[30] JMSmith Ingenieriacutea de la cineacutetica quiacutemica Editorial McGraw-Hill Inc
[31] Froment and Bischoff Chemical Reactor Analisys and Desing Edit Wiley 3ra edit
1979
[32] Levenspiel Octave Chemical Reaction Engineering 3ra Edition Edit Wiley 1999
[33] De la Cruz K Gallardo L Ramiacuterez T ldquoDisentildeo de un proceso de Fotodegradacioacuten
cataliacutetica para tratar agua contaminada con componentes orgaacutenicos refractarios
nitrogenados UAM (2011)
[3 ]wwwhielschercom es biodiesel transesterification 1htm
[35] Apuntes LPD
[36] Capcost
[37] httpswebshopfisherscicominsight2_esgetCategoriesdo
[38] wwwurreamxLISTA-DE-PRECIOS-VALVULAS-2012pdf
[39]Personal wwwcomputrabajocommxbt-ofr- C -1htm
[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
6
Iacutendice de figuras Paacuteg
11 Fotocatalizador 15
41 Estructura molecular del colorante Rodamina B 23
42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio 25
43 Procedimiento experimental 26
44 Espectrofotoacutemetro DR-2800 27
51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B 28
52 Esquema triangular de reaccioacuten de Rodamina B 29
61 Fotocataacutelisis 33
62 Fotoacutelisis 34
63 Sonocataacutelisis 35
64 Sonoacutelisis 36
65 Fotosonocataacutelisis 36
66 Fotosonoacutelisis 37
67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B 38
68 Perfil de concentraciones de intermediarios 39
69 Perfil de concentraciones de mineralizados 41
610 Perfiles de concentracioacuten experimental y ajustado al comportamiento
del modelo en la fotoacutelisis
42
611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonoacutelisis
42
612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonoacutelisis
43
613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotocataacutelisis
45
614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la sonocataacutelisis
45
615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento
del modelo en la fotosonocataacutelisis
46
71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento de 49
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
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0
1
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4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
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0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
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0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
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5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
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05
1
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
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0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
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285
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0
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1
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
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285
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4
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0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
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27
28
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30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
7
aguas residuales industriales
72 Diagrama del proceso 50
73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado 51
74 Reactor a nivel industrial 52
75 Perfiles de concentracioacuten usando luz en presencia de catalizador TiO2
DP-25
54
76 Perfiles de concentracioacuten usando sonido en presencia de catalizador
TiO2 DP -25
55
77 Perfiles de concentracioacuten usando luz y sonido (sinergia) en presencia de
catalizador TiO2 DP-25
57
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
8
Iacutendice de tablas Paacuteg
11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas
residuales
14
12 Ventajas y desventajas de la FDC 17
13 Ventajas y desventajas de la SDC 18
41 Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25 23
42 Propiedades de la Rodamina B 24
43 Condiciones de operacioacuten 25
44 Experimentos a nivel laboratorio 27
61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para fotolisis 43
62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para sonoacutelisis 44
63Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la fotosonoacutelisis 44
64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la FDC 47
65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la SDC 47
66Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la
Fotosonodegradacioacuten cataliacutetica
48
71Costos directos 58
72 Costos indirectos 59
73 Costos de produccioacuten trimestral 59
74 Costo de personal trimestral 59
75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten-
montaje y puesta en marcha
61
76 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos 61
77 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto 62
78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso 62
79 Anaacutelisis por equipo de proceso 63
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[24]httpcdigitaluvmxbitstream123456789295401RodriguezSantiagopdf
[25] [16] (Tech Bull Degussa 1990 Fernandez-Nieves 1998)
[26] wwwuamespersonal_pdicienciaslhh345aleccion2pdf
[27]wwwquiminetcomeficiente-metodo-de-deteccion-del-carbono
[28] Hendricks David W Water Treatment Unit Processes Physical and Chemical Boca
Raton FL CRC Press 2007 pp 44ndash62
[29] wwwceamamorelosgobmxCuautlaMan_caractAbioticashtm
[30] JMSmith Ingenieriacutea de la cineacutetica quiacutemica Editorial McGraw-Hill Inc
[31] Froment and Bischoff Chemical Reactor Analisys and Desing Edit Wiley 3ra edit
1979
[32] Levenspiel Octave Chemical Reaction Engineering 3ra Edition Edit Wiley 1999
[33] De la Cruz K Gallardo L Ramiacuterez T ldquoDisentildeo de un proceso de Fotodegradacioacuten
cataliacutetica para tratar agua contaminada con componentes orgaacutenicos refractarios
nitrogenados UAM (2011)
[3 ]wwwhielschercom es biodiesel transesterification 1htm
[35] Apuntes LPD
[36] Capcost
[37] httpswebshopfisherscicominsight2_esgetCategoriesdo
[38] wwwurreamxLISTA-DE-PRECIOS-VALVULAS-2012pdf
[39]Personal wwwcomputrabajocommxbt-ofr- C -1htm
[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
9
Nomenclatura
TAO Tratamiento de Oxidacioacuten Avanzada
FDC Fotodegradacioacuten Cataliacutetica
SRC Sonoreaccioacuten Cataliacutetica
DQO Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno
HO Radical de hidroxilo
EBP Energiacutea de Banda Prohibida e-V
e- Electroacuten
h+ Hueco
2O Radicales de superoacutexido
A Absorcioacuten
C Concentracioacuten mm3
I Largo de paso de la cuba cm
Cm Concentracioacuten total de sitios mm3
CA Concentracioacuten de Rodamina B mm3
CM Concentracioacuten de mineralizados mm3
CI Concentracioacuten de intermediarios mm3
KA Constante de adsorcioacuten de la especie A 1min
KM Constante de adsorcioacuten de la especie B 1min
KI Constante de adsorcioacuten de la especie C 1min
k
1 Constante de reaccioacuten heterogeacutenea 1min
K Constante de velocidad cineacutetica 1min
Ci Constante de cada especie
n Orden de reaccioacuten
ε Fraccioacuten vaciacutea
Dax Dispersioacuten axial m2s
Drad Dispersioacuten radial m2s
L Densidad del lecho kgm3
s Densidad del liacutequido kgm3
iR Velocidad de reaccioacuten Molsgcat
V Volumen del reactor m3
K Constante cineacutetica
a Orden de reaccioacuten
b Orden de reaccioacuten
c Orden de reaccioacuten
F Flujo ms
TiO2 DP-25 Oxido de Titanio
BF Bien fiacutesico (equipos instalaciones sistemas)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
10
O Operaciones
MA Medio ambiente
CP Consecuencia personal
CBF-MA Consecuencia bien fiacutesico
PP Probabilidad personal
PBF-MA Probabilidad bien fiacutesico
MR P Magnitud de riesgo personal
MR BF-MA Magnitud de riesgo bien fiacutesico
V1 Volumen a tomar para preparar solucioacuten 2 m3
C1 Concentracioacuten de la solucioacuten madre ppmC
V2 Volumen a aforar la solucioacuten 2 m3
C2 Concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2 ppmC
A Aromaacutetico
M Mineralizados
I Intermediarios
X Sitos activos
DLab Diaacutemetro a nivel laboratorio m
DLab Altura a nivel laboratorio m
DInd Diaacutemetro a nivel laboratorio m
AInd Altura a nivel industrial m
Re Nuacutemero de Reynolds
Ρ Densidad Kgm3
μ Viscosidad cP
Dp Diaacutemetro de partiacutecula m
D Diaacutemetro del tubo m
f Factor de friccioacuten de Darcy
L Longitud m
w Flujo maacutesico kgs
Q Flujo volumeacutetrico m3s
∆P Cambio de presioacuten de la bomba (Nm2)
η Eficiencia de la bomba
Vp Volumen de la partiacutecula m3
I Intensidad de la laacutempara nm
h Altura L
DL Diaacutemetro de la laacutempara m3
PLab Potencia a nivel laboratorio W
VLab Volumen a nivel laboratorio m3
PInd Potencia a nivel industrial W
VInd Volumen a nivel industrial m3
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
Referencias
[1] httpwwwelocalgobmxworktemplatesenciclomorelosMunicipios17006ahtm
[2] Contaminacioacuten e Ingenieriacutea Ambiental JL Bueno H Sastre y AG Laviacuten FICYT
Oviedo 1997
[3] Gogate PR Pandit AB A review of imperative technologies for wastewater
treatment I oxidation technologies at ambient conditions Advances in Environmental
Research 2004 8 p 501-551
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65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
11
Introduccioacuten
El Riacuteo Cuautla es uno de los principales riacuteos del estado de Morelos En las cercaniacuteas de este
riacuteo se llevan a cabo actividades industriales ganaderas y de agricultura siendo estas
actividades la principal fuente de contaminacioacuten del riacuteo [1]
Para el municipio de Cuautla
asiacute como el nuacutecleo de la zona industrial de Jiutepec la industria trae beneficios econoacutemicos
para la poblacioacuten sin embargo tambieacuten consecuencias ambientales y de salud Los
principales contaminantes que se encuentran en este riacuteo provienen de sub-productos
desechados de las industrias como fibras sinteacuteticas productos quiacutemicos farmaceacuteuticos etc
que por sus propiedades toacutexicas son dantildeinas a los organismos acuaacuteticos y a la salud del ser
humano que utiliza estas aguas [23]
Existen tratamientos de aguas residuales
convencionales para tratar los contaminantes Las aguas tratadas deben cumplir las
normas NOM-001-SEMARNAT-1996 NOM-002-SEMARNAT-1996 y NOM-003-
SEMARNAT-1996 sin embargo esto no ha sido posible ya que los tratamientos
convencionales no logran degradar moleacuteculas refractarias orgaacutenicas como los colorantes
fenoles entre otros
Se han propuesto diversas tecnologiacuteas para el tratamiento de aguas contaminadas con
moleacuteculas orgaacutenicas refractarias que van desde tratamientos fiacutesicos como la adsorcioacuten
filtros percoladores etc hasta tratamientos bioloacutegicos y tratamientos de oxidacioacuten
avanzada (TAO) que se subdividen en fotoquiacutemicos y no fotoquiacutemicos Estas Tecnologiacuteas
son capaces de mineralizar esta clase moleacuteculas sin embargo su tasa de mineralizacioacuten es
baja como para utilizarse industrialmente [13]
La Fotodegradacioacuten Cataliacutetica (FDC) y Sonoreaccioacuten Cataliacutetica (SRC) son procesos que
presentan mayor nuacutemero de ventajas en los TAO pues son capaces de lograr una mayor
mineralizacioacuten de los contaminantes orgaacutenicos sin formar productos intermediarios
Ademaacutes de utilizar catalizadores de tipo semiconductor como TiO2 ZnO ZrO2 CeO2
CdS ZnS etc que pueden ser sintetizados a un bajo costo [4-10]
No obstante como ya se
mencionoacute la FDC y SRC no son econoacutemicamente factibles por sus bajas tasas de
mineralizacioacuten incluso con el uso de luz UV y con altas frecuencias de sonido [4-6]
Con base en resultados reportados de las TAO en este estudio se propone evaluar la
sinergia de los procesos FDC y SRC para mineralizar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
tomando como moleacutecula modelo la Rodamina B que seraacute mineralizada utilizando un
catalizador industrial de Titania (TiO2Degussa P25) Para evaluar la sinergia de estas
tecnologiacuteas se realizoacute un estudio cineacutetico a nivel laboratorio para posteriormente utilizar
esta informacioacuten en el disentildeo de un reactor cataliacutetico a nivel industrial mediante modelado
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
12
En el capiacutetulo 1 se estudian las TAO prometedoras (fotocataacutelisis y sonocataacutelisis) en el
tratamiento de aguas contaminadas con la moleacutecula a eliminar (Rodamina B) las cuales se
implementan en los efluentes de los procesos de tratamiento convencionales de agua
residual dando una descripcioacuten de cada una de ellas asiacute como los mecanismos de reaccioacuten
las ventajas y desventajas En el capiacutetulo 2 se presenta el estado del arte donde se han
obtenido resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes particularmente la
comunidad cientiacutefica se ha interesado en analizar la sinergia de la fotocataacutelisis y
sonocataacutelisis Se presentan las caracteriacutesticas y limitaciones de estas dos tecnologiacuteas y su
sinergia En el capiacutetulo 3 se plantea el problema se establece el objetivo y las metas a
realizar durante el desarrollo del proyecto En el capiacutetulo 4 se ilustran las caracteriacutesticas de
los materiales los equipos de laboratorio se describen los experimentos realizados para el
del desarrollo del modelo cineacutetico En el capiacutetulo 5 se desarrolla el mecanismo de reaccioacuten
el modelo cineacutetico y el modelo del reactor fotosonocataliacutetico El capiacutetulo 6 contiene el
anaacutelisis de los resultados obteniendo perfiles de concentracioacuten intermediarios y
mineralizados a nivel laboratorio se presentan los paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos y
heterogeacuteneos los perfiles de concentracioacuten experimentales ajustados con el
comportamiento del modelo para cada proceso En el capiacutetulo 7 se hace el disentildeo de la
planta de tratamiento con base en el planteamiento del problema se ubica el proceso se
hace el diagrama del proceso y se dimensiona el reactor industrial Posteriormente se lleva
a cabo el dimensionamiento de los equipos perifeacutericos Una vez que se tiene toda la
informacioacuten y resultados se realiza un estudio econoacutemico y la evaluacioacuten de riesgos para
ver la sustentabilidad del proyecto Finalmente se presentan las conclusiones y apeacutendices
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[31] Froment and Bischoff Chemical Reactor Analisys and Desing Edit Wiley 3ra edit
1979
[32] Levenspiel Octave Chemical Reaction Engineering 3ra Edition Edit Wiley 1999
[33] De la Cruz K Gallardo L Ramiacuterez T ldquoDisentildeo de un proceso de Fotodegradacioacuten
cataliacutetica para tratar agua contaminada con componentes orgaacutenicos refractarios
nitrogenados UAM (2011)
[3 ]wwwhielschercom es biodiesel transesterification 1htm
[35] Apuntes LPD
[36] Capcost
[37] httpswebshopfisherscicominsight2_esgetCategoriesdo
[38] wwwurreamxLISTA-DE-PRECIOS-VALVULAS-2012pdf
[39]Personal wwwcomputrabajocommxbt-ofr- C -1htm
[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
13
Capiacutetulo 1
1 Generalidades
La proteccioacuten y conservacioacuten de los recursos naturales constituyen hoy en diacutea una de las
principales preocupaciones sociales Entre estos recursos se destaca en primer lugar al agua
como un bien preciado y escaso lo que conduce a su adecuado uso y reciclaje debido a que
las normas legales imponen criterios cada vez maacutes estrictos para obtener una mayor y mejor
depuracioacuten de las aguas incluso aquellas que estaacuten contaminadas con altas concentraciones
de faacutermacos colorantes entre otros por su efecto en el ecosistema No obstante el
tratamiento de contaminantes orgaacutenicos es un problema complejo debido a su gran variedad
y niveles de concentracioacuten Por lo que actualmente se proponen y estudian tecnologiacuteas
prometedoras en el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de moleacuteculas que no
pueden ser eliminadas con los procesos de tratamiento convencionales de agua residual
11 Tratamientos de aguas residuales
La produccioacuten de contaminantes ha tenido un gran incremento en las uacuteltimas deacutecadas como
respuesta a la necesidad de mayores condiciones para labores en el hogar la industria
sectores de la salud y otros Algunos de los productos son elaborados con insumos de baja
toxicidad y alta biodegradabilidad atendiendo a los estaacutendares internacionales y
regulaciones normativas aplicables para su fabricacioacuten [11]
Las metodologiacuteas convencionales de tratamiento de agua permiten remover porcentajes
significativos de contaminantes contenidos en los efluentes tambieacuten incrementan la
biodegradacioacuten y disminuyen los porcentajes de color y demanda quiacutemica de oxiacutegeno
(DQO) No obstante se presentan dificultades relacionadas con altos costos de inversioacuten
largos tiempos de tratamiento necesidad de personal especializado requerimientos de
capacidad instalada entre otras limitaciones [1012]
Las etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales se presentan en
la Tabla 11 Los procesos fiacutesicos o de recuperacioacuten son los procesos u operaciones
unitarias que intentan separar y recuperar el contaminante del agua residual los cuales se
clasifican en adsorcioacuten extraccioacuten tecnologiacuteas de membrana destilacioacuten etc [6]
Los
procesos quiacutemicos son los meacutetodos de tratamiento en los cuales la eliminacioacuten o
conversioacuten de los contaminantes se consigue con la adicioacuten de productos quiacutemicos o
gracias al desarrollo de ciertas reacciones quiacutemicas Los meacutetodos de tratamiento bioloacutegicos
de aguas son efectivos y econoacutemicos comparados con los meacutetodos fiacutesicos y quiacutemicos
Estos tratamientos se llevan a cabo en bioreactores no obstante cuando las aguas
residuales contienen materiales toacutexicos como son el fenol pentaclorofenol (PCP) y
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
14
bifeniles policlorinados (PCB) los meacutetodos bioloacutegicos no pueden eliminarlos
eficientemente esto aunado al hecho de que hay una disminucioacuten en la actividad de los
microorganismos asimismo estos microorganismos generan subproductos no deseables
que compiten con los compuestos orgaacutenicos a degradar por el mismo microorganismo
Algunas bacterias empleadas en los meacutetodos bioloacutegicos son Pseudomonas sp Nocardia
sp Pseudomonas sp + Nocardia sp Esterichia coli y Aeromonas hydrophila
Tabla 11 Etapas principales para el tratamiento convencional de aguas residuales
Etapas Procesos
Tratamiento primario
Desbaste
Sedimentacioacuten
Flotacioacuten
Neutralizacioacuten
Tratamiento secundario
Proceso de lodos activados
Proceso de aireacioacuten extendida u oxidacioacuten total
Estabilizacioacuten por contacto
Modificacioacuten del proceso de lodos activados
convencionales
Lagunas de aireacioacuten
Lagunaje
Filtros precolados
Tratamientos anaerobios
Tratamiento terciario o avanzado
Microfiltracioacuten
Precipitacioacuten y coagulacioacuten
Adsorcioacuten (carboacuten activado)
Intercambio ioacutenico
Electrodiaacutelisis
Procesos de eliminacioacuten de nutrientes
Cloracioacuten y ozonacioacuten
Procesos avanzados de oxidacioacuten
12 Tecnologiacuteas de Oxidacioacuten Avanzadas (TAO)
Debido a que los tratamientos de descontaminacioacuten de efluentes residuales no cumplen con
las normas establecidas es necesario aplicar otros meacutetodos de tratamiento de aguas
residuales Estas tecnologiacuteas se han estudiado para la descontaminacioacuten de contaminantes
de efluentes difiacuteciles de degradar las cuales se dividen en procesos fotoquiacutemicos y no
fotoquiacutemicos
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
30
305
31
0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
44
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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[35] Apuntes LPD
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[40]Gonzaacutelez Margarita Introduccioacuten a la ingenieriacutea de procesos Meacutexico DF Limusa
2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
15
Las TAO poseen una mayor factibilidad termodinaacutemica y una velocidad de oxidacioacuten que
se favorece por la participacioacuten de radicales hidroxilo (HO) con propiedades activas que
permiten mineralizar los compuestos orgaacutenicos y reaccionar de 106 hasta 12
6 veces maacutes
raacutepido que otros procesos de tratamientos fiacutesicos y quiacutemicos Dentro de las TAO se
destacan el uso de la fotocataacutelisis y la sonocataacutelisis ya que presentan mayores ventajas
sobre las demaacutes tecnologiacuteas
13 Fotocataacutelisis
El proceso de Fotocataacutelisis utiliza materiales con caracteriacutesticas semiconductoras que
presentan un rango especiacutefico de su Energiacutea de Banda Prohibida (EBP) el cual estaacute entre
28 y 36 eV Este proceso inicia con una irradiacioacuten de luz UV o Visible con una longitud
de onda especiacutefica sobre el catalizador que promueve la formacioacuten de sitios cataliacuteticamente
activos a traveacutes del movimiento de los electrones (e-) de la banda de Valencia a la banda de
Conduccioacuten El e- que deja la banda de Valencia da origen a un hueco (h
+) De esta forma
los pares electroacuten-hueco son los responsables de iniciar las reacciones de oxidacioacuten y
reduccioacuten lo cual da origen a la mineralizacioacuten del contaminante que estaacute en contacto con
el semiconductor El h+ en la banda de Valencia promueve las reacciones de oxidacioacuten
mientras que el e- en la banda de Conduccioacuten promueve las reacciones de reduccioacuten
[21]
Figura 11 Fotocatalizador
[21]
El h+ promueve la formacioacuten de los radicales libres de hidroxilo (OH ) en la superficie
(ver ecuacioacuten 2) los cuales oxidan la materia orgaacutenica hasta mineralizarla principalmente a
CO2 y H2O (ver ecuacioacuten 7) Los electrones de la banda de conduccioacuten reaccionan con el
oxiacutegeno del medio y contribuyen con la formacioacuten de radicales superoacutexido ( 2O) (ver
ecuacioacuten 3) que actuacutean como agentes oxidantes para formar peroacutexido de hidroacutegeno (ver
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
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3
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5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
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0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
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3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
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1
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0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
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4
5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
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0
05
1
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
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285
29
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0
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
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285
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0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
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27
28
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30
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0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
90
Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
91
Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
92
Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
93
Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
16
ecuacioacuten 4 y 5) que a su vez participa en la formacioacuten de radicales OH (ver ecuacioacuten 6)
A continuacioacuten se presenta el Mecanismo de reaccioacuten de fotocataacutelisis
TiO2[]
+ hv rarr e-+ h
(1)
H2O + hrarr OH + H
(2)
O 2 + e-rarr O
2 (3)
O
2 + Hrarr HO
2 (4)
2HO
2 rarr H2O2 + O2 (5)
H2O2 + O
2 rarr OH + O2 + OH (6)
OH + Cont Org rarr CO2+H2O (7)
Este mecanismo de reaccioacuten es general para cualquier semiconductor que sea irradiado con
una longitud de onda adecuada que no debe ser mayor o igual a su tamantildeo de EBP Donde
[] representa el sitio activo del Fotocatalizador empleado para la mineralizacioacuten de
moleacuteculas orgaacutenicas
Tabla 12 Ventajas y desventajas de la FDC
Ventajas Desventajas
Elimina parcialmente compuestos orgaacutenicos
refractarios presentes en los efluentes
residuales reducieacutendolos a dioacutexido de
carbono y agua
Costos elevados debido al empleo de luz
UV
La mayoriacutea de los fotocatalizadores son de
costo accesible
Soacutelo es capaz de mineralizar bajas
concentraciones de contaminante
La selectividad de los fotocatalizadores
permite que se puedan tratar contaminantes
no biodegradables que pueden estar o no
con contaminantes orgaacutenicos complejos
14 Sonocataacutelisis
Esta tecnologiacutea usa ultrasonido de alta potencia y se aprovecha la cavitacioacuten
electrohidraacuteulica es decir el crecimiento y colapsado ciacuteclico de burbujas de gas El gas
implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4 - 10 K y 1-10 bares en
el centro de las burbujas colapsadas) [17]
La degradacioacuten de materia orgaacutenica por sonoacutelisis
17
ocurre a traveacutes de tres procesos reacciones de H2O supercriacutetica piroacutelisis directa y
reacciones con los radicales generados por la reaccioacuten teacutermica o por las reacciones en
presencia de oxiacutegeno A continuacioacuten se presenta el mecanismo de reaccioacuten para la
sonoacutelisis
bull bull
2H O + ))) H + HO (8)
bull
2 22HO H O (9)
bull
2O +))) 2O (10)
bull bull
2 2H +O HO (11)
bull bull bull
2H +O HO + O (12)
OH + Cont Org rarr CO2 + H2O (13)
En este mecanismo se presentan los pasos elementales de una degradacioacuten ultrasoacutenica la
cual inicia con la sonicacioacuten del liacutequido y asiacute formar los radicales hidroxilos los cuales
promueven la degradacioacuten del contaminante orgaacutenico
En la Tabla 13 se presentan las ventajas y desventajas del proceso de sonocataacutelisis
Tabla 13 Ventajas y desventajas de la SDC
Ventajas Desventajas
Los ultrasonidos producen una
regeneracioacuten de la superficie cataliacutetica
como resultado de la disgregacioacuten de las
partiacuteculas por efecto de la cavitacioacuten
El rango de aplicacioacuten de los procesos
sonocataliacuteticos se ajusta a efluentes no muy
concentrados Por lo que es necesaria su
combinacioacuten con otros procesos de
oxidacioacuten avanzada
La presencia de ultrasonidos aumenta la
transferencia de materia debido al aumento
de la turbulencia favoreciendo la difusioacuten
de los sustratos orgaacutenicos
18
Capiacutetulo 2
2 Estado del arte
La contaminacioacuten del medio ambiente especiacuteficamente del agua ha sido causada por
mecanismos fiacutesicos y quiacutemicos lo cual ha provocado la acumulacioacuten de contaminantes
orgaacutenicos refractarios La existencia de estos contaminantes se origina principalmente por
la descarga de efluentes provenientes de distintos sectores tales como la industrial la
agriacutecola agricultura y domeacutestica [2]
La principal dificultad que se presenta en el desarrollo
de este tratamiento se debe a la presencia de contaminantes de tipo orgaacutenicos como
algunos colorantes que no pueden ser eliminados o degradados a una concentracioacuten
miacutenima (ppm) por meacutetodos fiacutesicos quiacutemicos y bioloacutegicos lo que ha llevado a desarrollar
tecnologiacuteas para la eliminacioacuten parcial de estas moleacuteculas refractarias contenidas en el agua
y asiacute reutilizarla [3]
La Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis que han sido estudiadas en los
uacuteltimos antildeos han dado algunos resultados interesantes para la eliminacioacuten de colorantes
por lo que debido a sus ventajas y sus desventajas la comunidad cientiacutefica se ha interesado
por analizar la sinergia de estas tecnologiacuteas
Stock y Peller han evaluado la degradacioacuten de moleacuteculas como diclorofenol aacutecido
propioacutenico fenoles clorados 24-diclorofenol y 2 46-tricolorofenol presentes en el agua
de desecho de tipo industrial y el los post-tratamientos de las plantas [56]
Los resultados
muestran que la sonocataacutelisis es un proceso eficaz en la degradacioacuten inicial de moleacuteculas
aromaacuteticas no obstante la mineralizacioacuten completa de esta clase de moleacuteculas no es
posible Una de las ventajas de la SDC es que no se forman productos intermediarios La
FDC de esta clase de moleacuteculas muestra que esta tecnologiacutea es selectiva hacia la
degradacioacuten de compuestos orgaacutenicos refractarios incluso a mayores concentraciones que la
SDC No obstante una de las principales desventajas es la formacioacuten de productos
intermediarios y una baja tasa de mineralizacioacuten de esta clase de contaminantes [7]
Por otro
lado la sinergia de la SDC y FDC ha presentado varias ventajas un incremento en la tasa de
mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas teniendo una acumulacioacuten miacutenima de productos
intermediarios toacutexicos [7]
No obstante no se tiene claro el papel cineacutetico de cada una de
estas tecnologiacuteas cuando se utilizan simultaacuteneamente en la mineralizacioacuten de moleacuteculas
orgaacutenicas Aunado al hecho de que la mayoriacutea de los estudios de la fotosonocataacutelisis se han
realizado a nivel laboratorio presentando solamente resultados experimentales por lo tanto
actualmente se tiene la necesidad de estudiar el comportamiento de la fotosonocataacutelisis a
nivel industrial
19
Capiacutetulo 3
3 Problema y objetivos
31 Planteamiento del problema
En el Riacuteo Cuautla se ubica una importante zona de manantiales los cuales abastecen de
agua potable a 19 colonias ademaacutes el agua de los manantiales irriga los cultivos del aacuterea
donde los escurrimientos de los mismos se integran al riacuteo [22]
La contaminacioacuten del agua el
suelo y aire se genera por la implantacioacuten de la zona industrial cercana donde existen
industrias importantes dedicadas principalmente a fabricacioacuten y distribucioacuten de productos
quiacutemicos-farmaceacuteuticos elaboracioacuten de alimentos fabricacioacuten de telas productos a base de
hule manufactura de fragancias y saborizantes etc asiacute como los desechos humanos que
terminan en las aguas residuales municipales En las aguas residuales tanto municipales
como de las diversas industrias alrededor de este rio se tienen contaminantes como
fenoles clorofenoles farmaceacuteuticos y colorantes que no son mineralizados antes de
enviarse al riacuteo y afectan al ecosistema y la salud de las personas que dependen del mismo [23]
Lo anterior nos lleva a implementar un proceso de mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas
refractarias en una planta de tratamiento de aguas residuales que provienen de los efluentes
de las industrias Para esto se propone la sinergia de dos tecnologiacuteas como son la
Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis utilizando un catalizador comercial de TiO2 Degussa P25
El dimensionamiento de esta tecnologiacutea se basa en el modelado cineacutetico a nivel laboratorio
con base en experimentos dicho modelo tendraacute conexioacuten con un modelo a nivel industrial
donde se consideran los fenoacutemenos de transporte asociados al reactor estos fenoacutemenos
seraacuten caracterizados por medio de estudios reportados en la literatura El objetivo seraacute
dimensionar un reactor que permita mineralizar compuestos refractarios orgaacutenicos a
concentraciones de salida menores a 5 ppm de acuerdo a la norma 001 002 y 003 de la
SEMARNAT
20
32 Objetivos
321 Objetivo general
Disentildeo de un proceso de Fotorreaccioacuten cataliacutetica yo Sonoreaccioacuten cataliacutetica a nivel
industrial para la degradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias utilizando como
moleacutecula modelo la Rodamina B y un catalizador industrial TiO2 Degussa P25
322 Metas
1- Investigar el impacto ambiental de la moleacutecula a mineralizar asiacute como los procesos de
tratamiento de estas
2- Plantear el problema y proponer una estrategia de escalamiento de la sinergia de las
tecnologiacuteas de Fotocataacutelisis y la Sonocataacutelisis
3- Estudio de mercado aspectos de seguridad y transporte para ubicar el proceso
4-Disentildeo construccioacuten y puesta en marcha de un fotosonoreactor a nivel laboratorio
5-Desarrollo de experimentos en reacutegimen de control cineacutetico
6-Desarrollar un modelo cineacutetico
7-Propuesta de un fotosonoreactor a nivel industrial
8-Escalamiento del proceso mediante modelado
9-Balance global del proceso
10-Estimacioacuten econoacutemica y riesgos del proceso
21
Capiacutetulo 4
4 Metodologiacutea
41 Equipo y materiales a nivel laboratorio
411 Catalizador TiO2
El oacutexido de titanio (TiO2) es un compuesto quiacutemico que es utilizado en procesos de
oxidacioacuten avanzada Se presenta en la naturaleza en varias formas 80 rutilo (estructura
tetragonal) y 20 anatasa (estructura tetragonal) y brookita (estructura ortorombica) El
oacutexido de titanio rutilo y el oacutexido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes
cantidades y se utilizan como pigmentos catalizadores y en la produccioacuten de materiales
ceraacutemicos [24]
El TiO2 refleja praacutecticamente toda la radiacioacuten visible que le llega y mantiene su color de
manera permanente Es una de la sustancias con un iacutendice de refaccioacuten alto (24 como el
diamante) incluso pulverizado y mezclado y por esta misma razoacuten es muy opaco Esta
propiedad sirve para proteger en cierta medida de la luz del sol (refleja praacutecticamente toda
la luz incluso ultravioleta) El oacutexido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que
absorbe radiacioacuten electromagneacutetica cerca de la regioacuten UV El oacutexido de titanio es anfoteacuterico
muy estable quiacutemicamente y no es atacado por la mayoriacutea de los agentes orgaacutenicos e
inorgaacutenicos se disuelve en aacutecido sulfuacuterico concentrado y en aacutecido hidrofluoacuterico [24]
El TiO2 como semiconductor presenta una energiacutea de salto de banda (Band Gamp EG)
entre la banda de valencia y la de conduccioacuten de 32 eV con lo cual se produciraacute en dicho
material la fotoexcitacioacuten del semiconductor y la subsiguiente separacioacuten de un par
electroacuten-hueco una vez que los fotones incidentes sobre la superficie del mismo tenga una
energiacutea superior a los 32 eV lo que significa que toda la radiacioacuten UV de longitud de
onda igual o inferior a 387 nm tendraacute energiacutea suficiente para excitar el catalizador
El aacuterea superficial por unidad de masa de muestra es lo que se conoce como aacuterea
especiacutefica La determinacioacuten experimental del aacuterea especiacutefica de las muestras ha sido
realizada por el meacutetodo BET de adsorcioacuten de gases resultando ser (55plusmn5) m2g
[25] En la
Tabla 41 se presentan las propiedades del catalizador TiO2 Degussa P25 industrial que se
usoacute para la degradacioacuten cataliacutetica
22
Tabla 41 [16]
Caracteriacutesticas de TiO2 Degussa P25
Energiacutea de ancho de banda (EG) 32 eV
Densidad 35 gcm3
pH 5-6
Tamantildeo de partiacutecula 30-90 nm
Aacuterea BET (Brunauer-Emmett-Teller) (55plusmn5)m2g
Iacutendice de refraccioacuten (RutiloAnatasa) 38725-3
Densidad de estados extriacutensecos (BC) 51019
cm -3
T amb
Densidad superficial de grupos OH- 10
12- 10
15 cm
-2
412 Moleacutecula modelo (Rodamina B)
La Rodamina B es una moleacutecula refractaria orgaacutenica que se caracteriza por ser un colorante
antraquinona cuyo grupo cromoacuteforo son los anillos de pirrol Esta moleacutecula se utiliza para
tentildeir diversos productos tales como algodoacuten seda papel bambuacute paja y piel Ademaacutes se
utiliza para tinciones bioloacutegicas y se aplica en una gran variedad de campos por lo tanto se
puede encontrar en las aguas residuales de muchas industrias y laboratorios [9]
Estudios
sobre su toxicidad han reflejado que al estar en contacto iacutentimo con la piel causa irritacioacuten
ademaacutes se ha comprobado el efecto canceriacutegeno con animales de laboratorio con una
concentracioacuten mayor de 10ppm efectos muacutegatenos en estudio y teratoacutegenos de los cuales
no hay evidencia [10]
Figura 41 Estructura molecular del colorante Rodamina B
23
Tabla 42 Propiedades de la Rodamina B
Variables Rodamina B [19]
Longitud de onda a la cual es detectada (nm) 520
Peso molecular (gmol) 47902
Concentracioacuten de carbono (ppm) 3507
Cantidad de carbono 28
413 Fotosonoreactor
El equipo experimental que se utilizoacute para realizar los ensayos en el laboratorio se muestra
en la Figura 42 El sistema experimental consta de un reactor por lotes con las siguientes
caracteriacutesticas 138 cm de diaacutemetro 198 cm de altura y dentro del mismo se encuentran
localizados dos cilindros donde se insertan las laacutemparas UV estos cilindros impiden que
las laacutemparas UV se mojen con la solucioacuten la dimensioacuten de estos dos cilindros es 200 cm
de altura y 162 cm de diaacutemetro entonces el volumen total del reactor es de 287 L A este
reactor se le implementan los siguientes sistemas perifeacutericos
Laacutemparas UV (34)
Las Balastras electroacutenicas (5) que estaacuten pegadas en un costado de la caja y se
conectan directamente con las laacutemparas UV para despueacutes poder conectarlas al
suministro de energiacutea eleacutectrica
La Bomba (6) que suministra aire al reactor mediante una manguera flexible de 0 5
cm de diaacutemetro esta manguera esta acomodada en la base del reactor y mediante el
flujo de aire se suspende el catalizador dentro del reactor
El Sonicador (2) que es el encargado de generar los sonidos de alta frecuencia y se
coloca a 35 cm sobre la base del reactor se coloca a esta distancia ya que cuando se
agrega 1L de solucioacuten el nivel de eacutesta sube hasta 689 cm
Potenciostato para medir las variaciones del pH respecto al tiempo en que se lleva a
cabo la degradacioacuten
24
Figura 42 Fotosonoreactor a nivel laboratorio
Cabe mencionar que el reactor junto con sus implementos se coloca dentro de una caja de
madera con las paredes internas cubiertas con vidrio para aprovechar la luz UV En la Tabla
43 se muestran las condiciones de operacioacuten del sistema a las cuales se realizaron las
corridas experimentales
Tabla 43 Condiciones de operacioacuten
Concentracioacuten inicial molecular (ppm) 50
Concentracioacuten de peroacutexido (ppm) 100
pH 4-6
Catalizador (g) 1
Volumen (L) 1
Intensidad de las laacutemparas (nm) 240-280
Potencia de las laacutemparas (kWm2) 2583
Flujo de aire (Lmin) 24
Potencia del Sonicador (W) 50
Frecuencia (kHz) 20
En la siguiente Figura se muestra el ejemplo de una corrida experimental para la
degradacioacuten de Rodamina B de acuerdo al disentildeo de experimentos Para la degradacioacuten de
la moleacutecula modelo se utilizoacute como catalizador la Titania comercial DP-25 Esta solucioacuten
se coloca en el reactor y se deja burbujear durante 1 hora con el fin de que se lleve a cabo
la saturacioacuten de O2 en la solucioacuten Durante el transcurso de la reaccioacuten se tomaron
muestras de 10 ml a los tiempos 0 60 120 180 y 240 minutos para determinar TOC (ver
apeacutendice B) Asimismo se realiza el monitoreo del pH y la temperatura
25
Figura 43 Procedimiento experimental
La teacutecnica de espectroscopia UV-vis se llevoacute a cabo en el espectrofotoacutemetro DR 2800 para
la determinacioacuten de concentraciones de contaminante para la determinacioacuten del TOC
(Carboacuten Orgaacutenico Total) se utilizoacute el mismo equipo una vez que se conoce el TOC se
puede determinar la cantidad de intermediarios y CO2 producidos (ver Apeacutendice B)
Curva de calibracioacuten
Para la construccioacuten de la curva de calibracioacuten a usar se prepararon soluciones de
rodamina B a diferentes concentraciones 10 8 6 4 3 y 2 ppm (ver Apeacutendice A) Las
mediciones de concentracioacuten para cada moleacutecula se realizaraacute a traveacutes de la determinacioacuten
del Carbono Orgaacutenico Total con el empleo de un factor gravimeacutetrico para determinar la
concentracioacuten de contaminante
Vaciar al reactor 1L de solucioacuten de 50 ppm del colorante
Antildeadir 100 mL de H2O2 de 100 ppm
Agregar a la solucioacuten total 1
gramo de catalizador
Burbujear la solucioacuten durante 1
hora
Iniciar la reaccioacuten (sonicador yo luz
uv)
Muestrear cada 30 minutos durante 4
horas
Centrifugar Anaacutelisis de
espectrofotometriacutea uv-vis
Anaacutelisis TOC
26
42 Equipo analiacutetico
El equipo experimental utilizado para analizar nuestras muestras y determinar
indirectamente la concentracioacuten de contaminante intermediario y mineralizados fue un
espectrofotoacutemetro UV-Vis Hach modelo DR 2800 (Figura 43) En los apeacutendices A y B se
muestra la metodologiacutea para determinar las concentraciones de carbono en las especies
Figura 44 Espectrofotoacutemetro DR-2800
44 Disentildeo experimental
En la Tabla 44 se muestran los experimentos que se llevaron a cabo para ver el efecto de la
luz UV el sonido y la sinergia a nivel laboratorio
Tabla 44 Experimentos a nivel laboratorio
Experimento Moleacutecula Refractaria
1 Luz UV con catalizador
2 Luz UV sin catalizador
3 Ultrasonido con catalizador
4 Ultrasonido sin catalizador
5 Luz UV y Ultrasonido con catalizador
6 Luz y Ultrasonido sin catalizador
27
Capiacutetulo 5
5 Modelos
51 Mineralizacioacuten de la Rodamina B
Para el estudio cineacutetico de la moleacutecula (Rodamina B) los pasos y distintas rutas
importantes de reaccioacuten para la mineralizacioacuten se muestran en la Figura 51 en la cual se
puede observar que antes de que se lleve a cabo la mineralizacioacuten de Rodamina B se
forman otras moleacuteculas (intermediarios) como la Hidroquinona Catecol Benzoquinona
etc para posteriormente pasar a CO2 y H2O
Figura 51 Mecanismo de reaccioacuten para la mineralizacioacuten de Rodamina B
28
511 Cineacutetica
En este estudio se considera un esquema de reaccioacuten simplificado que agrupa todos los
intermediarios de tal forma que la mineralizacioacuten de aromaacuteticos puede ser directa o a
traveacutes de la formacioacuten de intermediarios como se observa en la Figura 52 [25]
Figura 52 Esquema triangular de reaccioacuten de rodamina
Para el desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo de reaccioacuten
que describa la formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador y su
interaccioacuten con las moleacuteculas orgaacutenicas hasta su mineralizacioacuten siguiendo el esquema de
reaccioacuten que se presenta en la Figura 52
En las siguientes ecuaciones se presenta el mecanismo de formacioacuten de los sitios activos en
un catalizador de Titania comercial Degussa P-25
+ + -H O + h H + HO
2
hv
(14)
- +HO + h HO
(15)
-O + e O
2 2
(16)
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
(17)
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
(18)
H O + O 2HO + O2 2 2 2
(19)
-H O + e 2HO
2 2
(20)
El agua que contiene la moleacutecula modelo se irradia con luz uv de este proceso se forman
iones hidronio e hidroxilo estos se continuacutean irradiando y forman radicales hidroxilo por
otro lado el oxiacutegeno del agua sufre una reaccioacuten similar soacutelo que estos interactuacutean con las
29
cargas negativas (electrones) y se forman asiacute radicales O2 Dentro de esta serie de
reacciones ocurre otra que favorece la formacioacuten de peroacutexido de hidrogeno y que si
agregamos a este sistema una cantidad adicional de este habraacute cantidad suficiente para que
al interactuar con los radicales se formen los sitios En este mecanismo el radical HO en la
superficie del catalizador es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la Fotosonocataacutelisis[26]
Una vez que se tiene el sitio cataliacutetico el proceso total por el que se efectuacutea la reaccioacuten en
presencia de un catalizador se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales
1 Transferencia de masa (difusioacuten) del reactivo (Rodamina B) del seno del fluido y a
la superficie externa de la partiacutecula del catalizador
2 Adsorcioacuten del reactivo sobre la superficie del catalizador
3 Reaccioacuten sobre la superficie del catalizador
4 Desorcioacuten de los productos de la superficie de la partiacutecula al seno del fluido
5 Transferencia de masa (difusioacuten) del producto mineralizado ubicado en la superficie
externa de la partiacutecula del catalizador al seno del fluido
A continuacioacuten se enlistan las suposiciones que se consideraron para desarrollar el modelo
cineacutetico
1 La reaccioacuten sigue un esquema triangular
2 Se tienen reacciones homogeacuteneas y heterogeacuteneas
3 Las reacciones homogeacuteneas ocurren en el seno del fluido por accioacuten de las
longitudes de onda en el sistema que generan presencia de sitios activos capaces de
degradar la moleacutecula orgaacutenica
4 Las reacciones heterogeacuteneas ocurren en la superficie del catalizador donde la
adsorcioacuten reaccioacuten y desorcioacuten se lleva a cabo en un soacutelo tipo sitio siguiendo el
formalismo Langmuiriano
5 Se siguioacute la aproximacioacuten de pseudo-equilibrio siendo la reaccioacuten el paso
controlante para las reacciones heterogeacuteneas
A continuacioacuten se muestran las velocidades de reaccioacuten heterogeacutenea y homogeacutenea
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 1
1 1
1 A A M 1 A1 n n
A A M M I I A A M M I I+ + + +
k K C C K Crs = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
(21)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 2
30
2 2
2 I I M 2 I2 n n
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(22)
Velocidad de reaccioacuten heterogeacutenea Ruta 3
32
3 A A M 3 A3 nn
A A I I M M A A I I M M+ + + +
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
(23)
1 1 A M
acuteK = k K C (24)
2 3 A M
acuteK = k K C (25)
3 2 A M
acuteK = k K C (26)
Nota no se considera a la reaccioacuten como reversible debido a que la termodinaacutemica nos
indica que las reacciones son irreversibles El valor de ni debe ser siempre igual o mayor a
1 ya que indica el nuacutemero de sitos que participan en la reaccioacuten cataliacutetica
Como se comentoacute arriba para el caso de colorantes existen reacciones homogeacuteneas las
cuales se describen siguiendo una ley de potencia del tipo kiCin
Velocidad de reaccioacuten en fase homogeacutenea
Ruta 1
A A A1 3
a cr = -k C - k C (27)
Ruta 2
I A I1 2
a br = k C - k C (28)
Ruta 3
31
M A I3 2
c br = k C + k C (29)
Debido a que las reacciones totales se llevan a cabo de forma homogeacutenea y heterogeacutenea se
tiene la siguiente relacioacuten para cada compuesto
ri = ri homogenea + ri heterogenea
La velocidad de reaccioacuten total para cada ruta de reaccioacuten estaacute dada por las siguientes
relaciones
Ruta 1
1
a1 A1 1 An
A A M M I I+ +
K Cr s = + k C
(K C K C K C +1)
(30)
Ruta 2
2
b2 I2 2 In
A A I I M M+ +
K Cr = + k C
(K C K C K C +1)s
(31)
Ruta 3
3
c3 A3 3 An
A A I I M M
+
+ +
K Cr = k C
(K C K C K C +1)s
(32)
Por lo tanto
A1 3A
dCR = = -r s - r s
dt
(33)
II 1 3
dCR = = r s - r s
dt
(34)
MM 2 3
dCR = r s + r s
dt
(35)
32
52 Modelo del Reactor fotosonocataliacutetico
La siguiente ecuacioacuten modela el reactor a nivel industrial tomando en cuenta la
contribucioacuten por acumulacioacuten la contribucioacuten cineacutetica de reaccioacuten la conveccioacuten y las
dispersiones axial y radial Este modelo considera que un catalizador suspendido dentro del
reactor asiacute como una placa de catalizador en el periacutemetro del reactor De tal forma la
reaccioacuten tiene lugar tanto en el interior del reactor como en la pared interna Las
principales suposiciones del modelo son
1 Se considera un modelo pseudo-homogeacuteneo en 2D ya que las resistencias a la
transferencia de masa inter-partiacutecula e intra-partiacutecula se manejaron como
despreciables
2 El modelo se resolvioacute en estado estacionario
2 21
2 2
C C C Ci i i iV D D LRr ax iradz r rz r
(36)
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realizoacute por medio de un simulador el cual nos muestra el
comportamiento del reactor industrial por lo cual se necesitan 5 condiciones de frontera
estaacuten dadas por las siguientes ecuaciones
Condiciones de Frontera
r = Rin
iC
= 0r
r = Rext rad s
Ci-D = ρ R
r
i
z = 0 C = Ci i0
z = LC
i = 0z
33
Capiacutetulo 6
6 Resultados y discusioacuten
61 Mineralizacioacuten de Rodamina B a nivel laboratorio
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales realizados a nivel
laboratorio con el objetivo de estudiar el comportamiento cineacutetico homogeacuteneo y
heterogeacuteneo del catalizador industrial TiO2 Degussa P25 en un Fotosonoreactor que se
utiliza para la mineralizacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas refractarias
611 Fotoacutelisis y Fotocataacutelisis
En las figuras 61 y 62 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo del fotoreactor con y sin la TiO2 DP-25 durante la degradacioacuten de Rodamina B
respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones homogeacuteneas
y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la superficie de los
catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las reacciones
homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la superficie
cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina B en
presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de este Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es que se mineraliza
selectivamente la Rodamina a mineralizados
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en Mineralizados
Cc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Interm
ediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 61 Fotocataacutelisis
34
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
cIntermediarios y m
ineralizados (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 62 Fotoacutelisis
612 Sonoacutelisis y Sonocataacutelisis
En las figuras 63 y 64 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el sonoreactor con y sin la TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas Figuras se observa la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios OH tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor ya que degradan menos
Rodamina B ver las velocidades de reaccioacuten promedio reportadas en el apeacutendice E En la
Sonoacutelisis se tiene una mayor concentracioacuten de productos intermediarios que aumenta
conforme pasa el tiempo siendo un efecto que no se tiene cuando se utiliza catalizador
pero la produccioacuten de intermediarios aumenta y decae conforme pasa el tiempo siendo asiacute
un efecto importante para la degradacioacuten de moleacuteculas refractarias
35
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mg
l)C
c Mineralizados e interm
ediarios (mgl)
tiempo ( minutos)
Figura 63 Sonocataacutelisis
25
26
27
28
29
30
31
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
Cc en Rodamina B
Cc en MineralizadosCc en Intermediarios
Cc
en R
odam
ina
B (
mgl
)C
c en M
ineralizad
os e In
temed
iarios (m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 64 Sonoacutelisis
36
613 Fotosonoacutelisis y Fotosonocataacutelisis
En las figuras 65 y 66 se presentan los perfiles de concentracioacuten de carbono en funcioacuten
del tiempo sobre el fotosonoreactor con y sin TiO2 DP25 durante la degradacioacuten de
Rodamina B respectivamente En estas se observan la presencia tanto de reacciones
homogeacuteneas y heterogeacuteneas teniendo sitios activos tanto en la fase acuosa como en la
superficie de los catalizadores capaces de degradar la Rodamina B No obstante en las
reacciones homogeacuteneas la actividad de estos sitios es menor a la que tienen los sitios en la
superficie cataliacutetica La velocidad de reaccioacuten promedio (ver Apeacutendice E) de la Rodamina
B en presencia de catalizador es mayor que la que se tiene en ausencia de eacuteste Una de las
caracteriacutesticas importantes de la presencia del catalizador es mineralizar selectivamente la
Rodamina a mineralizados de igual manera la velocidad de reaccioacuten de intermediarios y
mineralizados es mayor en comparacioacuten con la fotosonoacutelisis Estas observaciones nos
indican la importancia del catalizador ya que se ve reflejado en un aumento de sitios
activos que interactuacutean con la moleacutecula a degradar
24
25
26
27
28
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0
1
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5
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0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Ro
dam
ina
B (
mgl
)C
c Interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 65 Fotosonocataacutelisis
37
28
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305
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0
1
2
3
4
5
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0 40 80 120 160 200 240
C Rodamina B
C IntermediariosC Mineralizados
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl)
Cc interm
ediarios y mineralizados (m
gl)
tiempo (minutos)
Figura 66 Fotosonoacutelisis
614 Degradacioacuten de Rodamina B
La Figura 67 muestra los perfiles de concentraciones de carbono en Rodamina B (mg Cl)
en funcioacuten del tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis
fotocataacutelisis y fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa claramente que la unioacuten
de las 2 tecnologiacuteas fotosonocataacutelisis degrada en mayor medida a la Rodamina B en
comparacioacuten a las demaacutes tecnologiacuteas Como se esperaba la sonoacutelisis yo fotoacutelisis presentan
similares resultados ya que tienen lugar solamente reacciones homogeacuteneas La sonocataacutelisis
y fotocataacutelisis presentaron una mayor actividad para mineralizar la Rodamina B pero no
fue mayor a su sinergia Esto nos sugiere que la fotosonocataacutelisis muestra los mejores
resultados en teacuterminos de conversioacuten pero esencialmente en velocidades de reaccioacuten (ver
Apeacutendice E) de la Rodamina B
38
08
085
09
095
1
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizador
luz sin catalizador
Sonido con catalizador
Sonido sin catalizador
Sinergia con catalizadorSinergia sin catalizador
08
085
09
095
1
CC
0
tiempo (minutos)
Figura 67 Perfil de concentraciones de carbono en Rodamina B
615 Formacioacuten y mineralizacioacuten de intermediarios
La Figura 68 y 69 muestran los perfiles de concentraciones de carbono en los productos
intermediarios (mg Cl) y carbono en los productos mineralizados (mg Cl) en funcioacuten del
tiempo de reaccioacuten para todos los casos estudiados sonocataacutelisis fotocataacutelisis y
fotosonocataacutelisis En esta comparacioacuten se observa que la menor cantidad de intermediarios
se produce en el sistema de la luz con catalizador (fotocataacutelisis) que se relaciona con la
mayor cantidad de carbono en productos mineralizados esencialmente COx La
fotosonocataacutelisis presenta la mayor produccioacuten de carbono en intermediarios no obstante
se observa que a lo largo de la reaccioacuten la produccioacuten de mineralizados es favorable Una
idea clara sobre el comportamiento cineacutetico del catalizador en cada una de estas tecnologiacuteas
se tendriacutea hasta que se tuvieran las simulaciones a nivel industrial como se observa en el
capiacutetulo 7 de la seccioacuten 732
39
0
1
2
3
4
5
6
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
1
2
3
4
5
6
Con
cent
raci
oacuten e
n in
term
edia
rios
(m
gl)
tiempo ( minutos)
Figura 68 Perfil de concentraciones de intermediarios
0
1
2
3
4
5
6
7
0 40 80 120 160 200 240
luz con catalizadorsonido con catalizadorsinergia con catalizador
Luz sin catalizadorsonido sin catalizadorsinergia sin catalizador
0
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5
6
7
C m
iner
aliz
ados
(mg
l)
tiempo ( minutos)
Figura 69 Perfil de concentraciones de mineralizados
40
62 Cineacutetica
621 Perfiles de concentracioacuten homogeacuteneos
En las figuras 610 611 y 612 se presentan los ajustes de los datos experimentales
cineacuteticos Los perfiles experimentales tienen un ajuste sobre el modelo del 93 para la
fotolisis y sonoacutelisis y un 98 para la sinergia Con base a lo anterior se puede observar
que los datos experimentales homogeacuteneos siguen un comportamiento similar al modelo
cineacutetico tipo ley de potencia
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0
05
1
15
2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina B
(m
gl
) C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 610 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotoacutelisis
41
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285
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1
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0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
)C
c d
e in
termed
iario
s y m
ineraliz
ados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 611 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonoacutelisis
28
285
29
295
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305
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0
05
1
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2
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc R
od
am
ina B
(m
gl
) C
c in
term
ediario
s y m
inera
lizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 612 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonoacutelisis
42
622 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 61 62 y 63 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros para cada caso Estos valores son para cada velocidad de
reaccioacuten (ver Figura 52) para la degradacioacuten de Rodamina B
Tabla 61 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotolisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 464E-04
k2 (1min) 156E-03 5646E-04 TO 1635E-03
k3 (1min) 471E-05
a 757E-01 5284E-01 TO 9866E-01
b 113E+00
c 123E+00 6266E-01 TO 1842E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 62 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 319E-05 4685E-06 TO 8038E-05
k2 (1min) 113E-03 2752E-03 TO 7247E-03
k3 (1min) 163E-01
a 246E-01 700E-01 TO 2881E+00
b 120E-02
c 282E-01 4847E-01 TO 2010E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 63 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonoacutelisis
Paraacutemetros cineacuteticos homogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
k1 (1min) 987E-05 9398E-05 TO 1035E-04
k2 (1min) 145E-04 1320E-04 TO 1583E-04
k3 (1min) 200E-04 1904E-04 TO 2095E-04
a 629E-01 5674E-01 TO 6925E-01
b 117E+00 1161E+00 TO 1193E+00
c 803E-01 7507E-01 TO 8568E-01
43
Con base en los paraacutemetros homogeacuteneos estimados se observa que para la fotoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 00154 mgl min para
intermediarios 00140 mgl min y para mineralizados 000142 Para la sonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 4921 mgl min para
intermediarios 0001 mgl min y para mineralizados 4920 mgl min Para la fotosonoacutelisis la
velocidad de reaccioacuten de Rodamina B tiene un valor promedio de 0009 mgl min para
intermediarios 0003 mgl min y para mineralizados 0006 mgl min Se obtuvo una mayor
velocidad de degradacioacuten de Rodamina cuando se implementoacute la sonoacutelisis y la velocidad
menor se obtuvo con la fotosonoacutelisis La velocidad de reaccioacuten para intermediarios fue
mayor para la fotoacutelisis y menor para sonoacutelisis caso contrario a la velocidad de reaccioacuten
promedio en la produccioacuten de productos mineralizados donde la mayor se obtuvo con la
sonoacutelisis y menor en fotoacutelisis
623 Perfiles de concentracioacuten heterogeacuteneos
En las figuras 613 614 y 615 se presentan los ajustes de los datos experimentales al
modelo cineacutetico heterogeacuteneo para cada sistema Los perfiles experimentales tienen un
ajuste sobre el modelo del 96 para la fotolisis sonoacutelisis y la fotosonocataacutelisis Con base a
lo anterior se puede observar que los datos experimentales heterogeacuteneos siguen un
comportamiento similar al modelo cineacutetico siguiendo el formalismo Langmuir-
Hinshelwoold
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275
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285
29
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1
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4
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0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) expCR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c in
termed
iarios y
min
eralizado
s (mg
l)
Tiempo (min)
Figura 613 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotocataacutelisis
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26
27
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30
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0
1
2
3
4
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0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Ro
dam
ina
B (
mg
l)
Cc in
termed
iarios y
min
eralizados (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 614 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la sonocataacutelisis
27
275
28
285
29
295
30
305
31
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
CR (mgl) exp
CR (mgl) mod
CI (mgl) exp
CI (mgl) mod
CM (mgl) exp
CM (mgl) mod
Cc
Rod
amin
a B
(m
gl
)C
c interm
ediario
s y m
ineralizad
os (m
gl)
Tiempo (min)
Figura 615 Perfiles de concentracioacuten experimental ajustados al comportamiento del
modelo en la fotosonocataacutelisis
45
624 Estimacioacuten de paraacutemetros cineacuteticos
En las tablas 64 65 y 66 se presentan los valores cineacuteticos estimados por el meacutetodo de
minimizacioacuten de paraacutemetros Con base en los paraacutemetros estimados se determinoacute la
velocidad de desaparicioacuten promedio de Rodamina Para la fotosonocataacutelisis la velocidad de
desaparicioacuten de Rodamina B (302 E-01 mgl min) es mayor comparada con las velocidades
promedio de fotocataacutelisis (116 E-01 mgl min) y sonocataacutelisis (246 E-04 mgl min)
Aunado a esto la constante de adsorcioacuten es mayor en la fotocataacutelisis para la moleacutecula de
Rodamina B lo cual indica que existe una mayor afinidad a quedarse adsorbida en la
superficie del catalizador Para los intermediarios la constante de adsorcioacuten mayor se
presentoacute para fotocataacutelisis y sonocataacutelisis ya que se obtuvo el mismo valor Por otro lado la
constante de adsorcioacuten para productos mineralizados fue mayor en la fotosonocataacutelisis y
menor en la fotocataacutelisis
Tabla 64 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 620E-04 3591E-06 TO 1237E-03
K3 (1min) 300E-03
KA (Lmg) 500E-04
KI (Lmg) 200E-03 2979E-04 TO 3379E-02
KM (Lmg) 400E-07 4263E-07 TO 1373E-06
n1 100E+00 3445E-01 TO 2344E+00
n2 200E+00 1036E+00 TO 2963E+00
n3 100E+00 1003E+00 TO 3462E+00
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
Tabla 65 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Sonodegradacioacuten cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 500E-04
K2 (1min) 900E-04 9811E-05 TO 1518E-03
K3 (1min) 600E-07 9014E-08 TO 1021E-05
KA (Lmg) 300E-07
KI (Lmg) 500E-07
KM (Lmg) 600E-03 5066E-03 TO 7266E-02
n1 300E+00 -9355E+06 TO 9355E+06
n2 300E+00 -1786E+05 TO 1786E+05
n3 200E+00 1195E+00 TO 7355E+01
Donde significa que el valor no es estadiacutesticamente significativo
46
Tabla 66 Paraacutemetros cineacuteticos y oacuterdenes de reaccioacuten para la Fotosonodegradacioacuten
cataliacutetica
Paraacutemetros cineacuteticos heterogeacuteneos Valor Estimado 95 intervalo de confiabilidad
K1 (1min) 343E-03 3258E-03 TO 3602E-03
K2 (1min) 600E-07 -1991E-04 TO 2003E-04
K3 (1min) 261E-03 2508E-03 TO 2715E-03
KA (Lmg) 300E-07 -9127E-01 TO 9127E-01
KI (Lmg) 200E-03 -3213E+00 TO 3217E+00
KM (Lmg) 600E-02 5654E-02 TO 6345E-02
n1 100E+00 9362E-01 TO 1063E+00
n2 100E+00 -6606E+02 TO 6626E+02
n3 100E+00 3323E-01 TO 4265E+00
Capiacutetulo 7
Disentildeo de la planta de tratamiento
71 Ubicacioacuten del proceso
El riacuteo Cuautla denominado tambieacuten Chinameca en su curso inferior se forma con parte de
los escurrimientos del volcaacuten Popocateacutepetl y de los manantiales de Pazulco Junto con sus
tributarios atraviesa los municipios de Tetela del Volcaacuten Yecapixtla Atlatlahucan
Ocuituco Juitepec Cuautla Ayala y Tlaltizapaacuten para desembocar en el riacuteo Amacuzac al
suroeste de la poblacioacuten de Nexpa Entre los cuerpos de agua de la cuenca del riacuteo
identificados con nombres propios se destacan sesenta y tres barrancas dos riacuteos cuatro
balnearios ocho arroyos un canal cinco embalses un lago-craacuteter y cuatro manantiales El
maacutes prominente es el Popocateacutepetl el agua de sus deshielos corre por los lechos de las
barrancas en su descenso hacia al Sur [29]
Los municipios mencionados anteriormente cuentan con tierras feacutertiles y un clima caacutelido-
subhuacutemedo factores propios para el desarrollo de la agricultura ganaderiacutea e industria Las
actividades realizadas cerca del riacuteo son los principales focos de contaminacioacuten Por estas
razones se eligioacute complementar el proceso de fotosonocataacutelisis en la planta tratadora de
aguas residuales industriales ubicada en el municipio de Juitepec conocido como el nuacutecleo
industrial ya que se concentran alrededor de 150 industrias dedicadas principalmente a
Fabricacioacuten de telas para casimir y sus mezclas fabricacioacuten de alimentos fabricacioacuten y
distribucioacuten de productos quiacutemicos farmaceacuteuticas productos a base de hule manufactura
de fragancias y saborizantes etc
47
Figura 71 Ubicacioacuten del proceso de fotosonocataacutelisis en la planta de tratamiento
de aguas residuales industriales
La planta tratadora de aguas residuales industriales da servicio de muestreo anaacutelisis y
tratamiento a las industrias de sus alrededores Esta planta tiene una capacidad para recibir
y tratar hasta 10 ls de agua de origen industrial asiacute como de descargas domeacutesticas del
municipio No obstante no es capaz de descargar a una concentracioacuten del efluente de 50
miligramos de carbono por litro que es lo permitido se acuerdo con la Norma Ecoloacutegica
NOM 133-SEMARNAT-200[29]
Por lo que es necesario implementar el proceso de
fotosonocataacutelisis en esta plana de tratamiento con el objetivo de cumplir dicha norma
72 Diagrama del proceso
En la Figura 72 se presenta el diagrama del proceso que se propone para la degradacioacuten
fotosonocataliacutetica de contaminantes orgaacutenicos refractarios Por T1 fluye el agua a tratar
esta agua se obtiene de la planta de tratamiento convencional de aguas residuales y tiene
una concentracioacuten de 38 ppm de carbono una bomba centriacutefuga B1 impulsa el agua hacia
la vaacutelvula V1 la cual regula el flujo de agua que entra al Fotosonoreactor R1 Por T6 y
mediante un compresor C1 se alimenta aire al fotosonoreactor En R1 ocurre la degradacioacuten
del contaminante esta reaccioacuten de degradacioacuten forma CO2 y agua el CO2 sale por la parte
superior del reactor por T2 fluye el agua que se trata por fotosonocataacutelisis de acuerdo a las
simulaciones que se muestran en la siguiente seccioacuten en esta liacutenea se instalan dos vaacutelvulas
de paso (V2 V3) la vaacutelvula V3 se abre cuando se requiera un flujo por T4 y asiacute llenar el
tanque TQ1 para su posterior distribucioacuten o bien se cierra V3 para evitar el flujo hacia el
tanque y permitir soacutelo el flujo por T3 y descargar directamente el agua tratada sobre el
caudal del riacuteo
48
Fig72 Proceso de degradacioacuten fotosonocataliacutetica
73 Dimensionamiento
La estrategia que se sigue para el dimensionamiento del proceso fotosonocataliacutetico se
presenta en la Figura 73 La propuesta de dimensionamiento del fotosonoreactor cataliacutetico
se basa en las simulaciones del fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial La construccioacuten
del modelo se divide en dos partes en la primera se lleva a cabo un estudio cineacutetico para
desarrollar el modelo correspondiente En la segunda el modelo cineacutetico se acopla al
modelo del reactor que considera los distintos fenoacutemenos de transferencia de masa Para el
estudio cineacutetico se trabajoacute con un fotosonoreactor a nivel laboratorio que se disentildeoacute y
construyoacute en este proyecto Para caracterizar los fenoacutemenos de transporte de momento y
masa que estaacuten involucrados en el fotosonoreactor se utilizaron los paraacutemetros de
transporte que se obtuvieron a partir de correlaciones reportadas en la literatura [30-32]
El
dimensionamiento del reactor a nivel industrial permitioacute el disentildeo de los equipos perifeacutericos
(bombas sonicador distribuidor de aire laacutemparas UV) entonces al considerar todos los
equipos presentes en el proceso se llevoacute a cabo un estudio de seguridad y la factibilidad
econoacutemica
49
Figura 73 Propuesta de dimensionamiento sintetizado
731 Fotosonoreactor cataliacutetico a nivel industrial
En la Figura 74 se muestra el fotosonoreactor a nivel industrial el cual se escaloacute
utilizando el meacutetodo de similitud geomeacutetrica y nuacutemeros adimensionales Este reactor tiene
una capacidad de 2946 L una altura de 198 m y un diaacutemetro de 140 m dadas estas
dimensiones se utilizaraacuten 2946 g de catalizador (ver apeacutendice F) En la base del reactor se
coloca una placa perforada que se fija en el fondo en forma circular Los orificios en la
placa son del mismo diaacutemetro (0002m) y son equidistantes unos de otros por medio de
este distribuidor se alimentan 30 Lmin de aire Por medio de una tuberiacutea de 25 in de
diaacutemetro ubicada en la parte superior se alimenta un flujo de agua de 10 Ls Esta agua
contiene al contaminante orgaacutenico con una concentracioacuten de 38 mgL de carbono
El reactor estaraacute hecho de acero inoxidable ya que trabajaraacute con agua y catalizador lo que
puede resultar corrosivo a largo plazo el espesor es de 005m Para fijar el catalizador en la
pared del reactor se consideraron trabajos previos en el cual se disentildearon laacuteminas hechas
de arcilla en donde se fija el catalizador [33]
El catalizador en polvo para la planta
industrial se enviacutea al centro alfarero posteriormente en un periodo de 10 diacuteas se reciben las
placas de arcilla con el catalizador fijo listas para utilizarse Las placas de arcilla seraacuten
50
fijadas al reactor con ayuda de un ldquorackrdquo que brinda un espacio exacto para cada laacutemina del
reactor Para colocar y retirar las placas soacutelo deben deslizarse a traveacutes del rack Cabe
mencionar que la cantidad de catalizador que se impregnaraacute en las paredes es de 105 gm2
(ver Apeacutendice F)
Figura 74 Reactor a nivel industrial
732 Simulacioacuten del proceso fotosonocataliacutetico
Se realizaron simulaciones en un software computacional y en estado estacionario para
observar el comportamiento del perfil de concentracioacuten de cada especie a nivel industrial ya
que se consideran los fenoacutemenos de transporte y la cineacutetica de reaccioacuten En las siguientes
figuras se muestran los perfiles de concentracioacuten de carbono presente en la moleacutecula
modelo intermediarios y mineralizados que se obtuvieron de las simulaciones
En la Figura 75 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se
obtuvieron durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica cuando se implementoacute la
fotocataacutelisis la concentracioacuten inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta
0047 mg C L Los productos intermediarios que se generan no logran mineralizarse antes
de salir del reactor teniendo una concentracioacuten maacutexima de 335 mg C L En la Figura 76
se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron durante la
mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de sonocataacutelisis la concentracioacuten
inicial de contaminante es de 30 mg C L y se degrada hasta 057 mg C L se generan 302
mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse a la salida del reactor En
51
la Figura 77 se presentan los perfiles de concentracioacuten axiales y radiales que se obtuvieron
durante la mineralizacioacuten de la moleacutecula orgaacutenica para el proceso de fotosonocataacutelisis la
concentracioacuten inicial de Rodamina B es de 30 mg C L y se degrada hasta 012 mg C L se
generan 46 mg C L de productos intermediarios que no logran mineralizarse antes de salir
del reactor
Con base en los resultados obtenidos se observa que con las tres tecnologiacuteas se obtuvieron
buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al contaminante por debajo de
los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT Un punto importante que se encuentra
en la literatura es que el proceso fotocataliacutetico puede degradar cantidades altas de
contaminante presente en efluentes a diferencia del proceso sonocataliacutetico el cual se ajusta
a efluentes no muy concentrados por lo que es necesaria su combinacioacuten con otros
procesos de oxidacioacuten avanzada cabe mencionar que la sinergia se propuso aprovechando
las ventajas de cada proceso aunado a esto si se hace un anaacutelisis desde el punto de vista
econoacutemico y de acuerdo con la teoriacutea que dice que en el proceso de fotosonocataacutelisis
existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el catalizador se regenerara
constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico podriacutea ser una tecnologiacutea
viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los efluentes de aguas
residuales
52
a) Rodamina B
b) Intermediarios
Figura 75 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotocataacutelisis
53
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 76 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de sonocataacutelisis
54
a) Rodamina B b) Intermediarios
Figura 77 Perfiles de concentracioacuten de la simulacioacuten de fotosonocataacutelisis
55
Disentildeo de equipos perifeacutericos
733 Bomba
La potencia requerida de la bomba para alimentar el agua al fotosonoreactor cataliacutetico es de
es de 5HP (ver Apeacutendice G) Esta bomba manejara una succioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
734 Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el Apeacutendice G El
diaacutemetro de tubo que se obtuvo para transportar el agua es de 25 in para suministrar el aire
al reactor se propuso un tubo de caracteriacutesticas semejantes
Todas las tuberiacuteas del sistema a nivel industrial seraacuten de acero inoxidable ya que este
material provee proteccioacuten contra corrosioacuten El material estaacute clasificado con el nuacutemero de
ceacutedula 405 estos tubos tienen un diaacutemetro externo de 25in (adecuadas para las bombas y
la alimentacioacuten y salida al reactor) un espesor de 0203 in y un diaacutemetro interno de 2469
in
735 Compresor
Los requerimientos del compresor se calcularon en el apeacutendice G y el flujo de aire que se
obtuvo para suministrar al reactor fue 304 Ls asiacute que basaacutendonos en este requerimiento
usaremos un compresor marca Evans (ver Apeacutendice G) que cuenta con tanque de
almacenamiento de 300L dado que el compresor trabaja automaacuteticamente cuando hay
consumo de aire este tanque seraacute suficiente para poder suministrar continuamente los 304
L min al reactor
736 Vaacutelvulas
Para todas las tuberiacuteas se utilizaraacuten vaacutelvulas de paso las cuales ayudaraacuten a regular los
flujos de agua y aire que seraacuten suministrados al reactor Las vaacutelvulas seraacuten de acero y con
un diaacutemetro de 25 in para ajustarse a las tuberiacuteas
56
737 Sonicador
El procesador de ultrasonidos UIP1500hd (20kHz 1500W) Es adecuado para el desarrollo
de procesos optimizacioacuten y para los procesos de produccioacuten El UIP1500hd estaacute disentildeado
para una operacioacuten de servicio pesado de 24hrs7diacutea [34]
El UIP1500hd permite variar la amplitud de ultrasonidos presioacuten del liacutequido y la
composicioacuten del liacutequido tales como
Sonotrodo amplitudes de hasta 170 micras
Liacutequido presiones de hasta 10 bares
Liacutequido las tasas de flujo de hasta 15Lmin (dependiendo del proceso)
Liacutequido temperaturas de hasta 80degC (otras temperaturas bajo peticioacuten)
Material de viscosidad de hasta 100000cp
Se puede cambiar la amplitud de 50 a 100 en el generador y mediante el uso de
cuernos de refuerzo diferente y se requiere poco mantenimiento
74 Anaacutelisis econoacutemico
El anaacutelisis econoacutemico estudia la estructura y evolucioacuten de los resultados de la empresa
(ingresos y gastos) y de la rentabilidad de los capitales utilizados En los procesos de
tratamiento de agua no se busca un proceso altamente rentable econoacutemicamente sino llegar
a las normas permisibles sin embargo la factibilidad en teacuterminos econoacutemicos es
importante para obtener la rentabilidad del proceso
741 Inversioacuten inicial del proceso
Los gastos de inversioacuten iniciales involucran los materiales de construccioacuten y la puesta en
marcha de toda la planta Estos gastos de pueden dividir en dos grupos costos directos y
costos indirectos
Los costos directos involucran los costos de compra o fabricacioacuten de los equipos del
proceso y su instalacioacuten
Para la instalacioacuten de la planta se tomaraacute en cuenta el costo del reactor que integran el
proceso la bomba las vaacutelvulas el compresor tuberiacuteas sonicador etc Tambieacuten se tomaraacute
en cuenta el valor de instalacioacuten de los equipos [36]
La Tabla 71 muestra los costos de cada
equipo que integra el proceso asiacute como las cantidades a usar obteniendo un costo total de
inversioacuten de $256652
57
Tabla 71 Costos directos
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Catalizador (Kg) 100 3 300
Reactor 104000 2 208000
Compresor 3400 1 3400
Bomba 1630 1 1630
Vaacutelvula 99 3 297
Tuberiacutea (m) 22 25 550
Laacutemparas 350 4 1400
Sonicador 19237 2 38474
Total 254051
Los costos indirectos relacionan el mantenimiento de los equipos empleados en el proceso
la compra de materias primas pagos externos seguros y costos externos En el proceso los
costos indirectos estaacuten reflejados en la materia prima como los catalizadores piezas
intercambiables de equipos o reposiciones y su mantenimiento asiacute como el pago de los
trabajadores de la planta [35]
En la Tabla 72 se presentan los costos del mantenimiento
para los equipos (que lo necesiten) y los costos si es necesario reemplazar alguna pieza o
equipo
Tabla 72 Costos indirectos
Costo individual
(USD)
Mantenimiento del reactor 100
Cambio de tuberiacuteas (m) 36
Cambio de laacutemparas 300
Mantenimiento de equipos 500
Mantenimiento del sonicador 1000
742 Costos de produccioacuten
Los costos de produccioacuten del proceso incluyen las materias primas involucradas servicios
reactivos y todos los consumos que conlleven a un gasto perioacutedico consecuencia de la
obtencioacuten del producto y subproductos finales [35]
Los gastos calculados en la Tabla 73 se
estiman en un periodo trimestral ya que el periodo de tiempo del mantenimiento es
trimestral obteniendo un gasto de $59107 En la Tabla 74 se presenta el personal necesario
para la operacioacuten de la planta y los salarios pagando $ 6100 mensualmente
58
Tabla 73 Costos de produccioacuten trimestral
Costo individual
(USD)
Cantidad Costo total del
equipo (USD)
Electricidad (por KW) 52 6000 31200
Agua (por Kmol) 0043 1200 27907
Total 59107
Tabla 74 Costo de personal mensual [37]
Salario individual
(USD)
Cantidad
(Personas)
Costo total mensual
(USD)
Supervisores 1000 1 1000
Obreros 410 2 820
Teacutecnicos 580 1 580
Ingenieros 1300 2 2600
Contador 1100 1 1100
Total 7 6100
75 Evaluacioacuten de riesgos
En el disentildeo de los procesos un punto importante que se tiene que considerar es la
identificacioacuten y evaluacioacuten de riesgos que se pudieran tener ya sea operacionales que
afecten a las personas a la comunidad a los bienes fiacutesicos yo al medio ambiente por
tanto se hace el anaacutelisis relacionado con la ingenieriacutea las adquisiciones productos que se
generan en los procesos operacionales la construccioacuten montaje puesta en marcha las
operaciones y los riesgos asociados a terceras personas (ajenas al proyecto) [39]
Para este
anaacutelisis se toman en cuenta diversos factores como la ubicacioacuten condicioacuten climaacutetica fallas
geomecaacutenicas etc
En las tablas 75 76 77 78 se presenta el anaacutelisis de riego el impacto del aacuterea del
proceso el nivel al que afecta el nivel de criticidad la magnitud de riesgo y se dan
alternativas para el control de estos En la Tabla 75 se presenta el anaacutelisis de riesgos
asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y puesta en marcha
obteniendo que una falla o falta de energiacutea puede ser seria ya que la planta podriacutea dejar de
operar en la Tabla 76 se presenta el anaacutelisis de riesgos asociados con la naturaleza y
fuerzas externas al proyecto un sismo podriacutea afectar la planta ya que tiene un gran impacto
tanto en las instalaciones como para las personas la Tabla 77 presenta los riesgos
asociados a las operaciones y generacioacuten de productos mostrando que un colapso
estructural la corrosioacuten en los equipos un incendio pueden tener un gran riesgo la Tabla
59
78 presenta los riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto proceso los cuales
no tiene gran riesgo sin embargo se tienen que considerar De este modo se busca disponer
de una instalacioacuten bajo riesgos controlados con un nivel de seguridad aceptable dentro del
marco legal requerido y de las normas
Tabla 75 Riesgos asociados a los insumos para las operaciones- construccioacuten- montaje y
puesta en marcha
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Falta falla de
energiacutea
eleacutectrica
Si O 1 2 1 2 1 3 Serio Paneles solares para
energiacutea auxiliar
Falta de agua
para el
proceso
Si O 1 2 1 1 1 2 Leve Proveedores
adicionales en caso de
emergencia
Virus
Computacion
al
Si O 1 2 1 2 1 2 Leve Mejorar los software
(antivirus)
Tabla 76 Riesgos asociados con la naturaleza y fuerzas externas al proyecto
RIESGO
EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-
PROCE
SO
NIVEL
A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-
MA
PP
P
BF_
MA
MR P
MR
BF_
MA
Inundaciones Siacute
BF 1 2 1 2 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta
Sismos Siacute BF 2 3 2 3 2 3 Grave Contar con vaacutelvulas de
seguridad en caso de
colapsos
Desbordamie
ntos de riacuteos
Si BF 1 2 2 1 1 2 Leve Muros de proteccioacuten
alrededor de la planta y
drenaje en toda la
planta
60
Tabla 77 Riesgos asociados a las operaciones y generacioacuten de productos
RIESGO EVENTO
IMPAC
TO
AacuteREA-PROC
ESO
NIVEL
A QUE
AFECTA
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL
DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE CONTROL
APLICADAS
CP
C
BF-MA
PP
P
BF_MA
MR P
MR
BF_MA
Colapso
estructural
Si BF 2 4 2 1 4 3 Grave Sistema hidraacuteulico
contra sismos
Contacto con
elementos
agresores que
afecten al
personal
Si P 1 2 1 1 1 1 Leve Tener siempre ropa
adecuada o accesorios
para la proteccioacuten del
trabajador
Consumo de
alcohol y drogas
Si O 2 1 2 1 2 1 Leve Revisioacuten al ingresar a
la planta
Corrosioacuten Si BF 1 3 1 2 1 3 Grave Mejorar el
mantenimiento
Producto final
contaminado
Si C 1 1 2 1 1 2 Serio No desechar dar un
segundo tratamiento
Falta de presioacuten
de aire
comprimido para
el proceso
Si O 1 1 2 2 2 1 Leve Se cuenta con reservas
para el suministro
Incendio Si O 2 3 2 2 1 3 Grave Contar con equipo de
seguridad
Material del
proveedor
defectuoso
Si O 1 1 1 2 1 1 Leve Anaacutelisis del producto
antes de aceptar un
lote
Producto final
no cumple con
los estaacutendares
Si O 1 1 2 2 2 2 Serio Nueva medida de
control tecnologiacutea o
equipo
Tabla 78 Riesgos asociados a terceras personas ajenas al proyecto ndashproceso
RIESGO EVENTO
IMPACTO
AacuteREA-
PROCESO
NIVEL A QUE
AFECT
A
MAGNITUD DE RIESGO
NIVEL DE
CRITIC
IDAD
MEDIDAS DE CONTROL APLICADAS
CP
C BF-
MA
PP
P BF_
MA
MR P
MR BF_
MA
Intromisioacuten
de personas
ajenas al
proceso rodo
Si O 1 1 1 1 1 3 Leve Control de personas
para entrar a la planta
Vandalismo Si BF 1 2 1 2 1 2 Leve Vigilancia las 24 horas
del diacutea
61
751 Anaacutelisis por equipo de proceso
En la Tabla 79 se hizo un anaacutelisis de cada equipo presente en el proceso investigando las
causas por las cuales se podriacutea tener alguacuten riesgo y dando alguna propuesta para
solucionarlo
Tabla 79 Anaacutelisis por equipo de proceso
AacuteREA NODO VARIABLE DESVIacuteO CAUSAS ACCIONES
Planta de
tratamiento de
agua
Vaacutelvula Flujo de agua
Aumento de
presioacuten
Disminucioacuten de
flujo
Taponamiento de
filtros Fallas
eleacutectricas
Inundacioacuten de la
planta
Incluir sensores de
presioacuten o
dispositivos de
alivio
Laacutempara luz
UV Radiacioacuten
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja intensidad de
radiacioacuten
Revisar laacutemparas
perioacutedicamente sin
esperar a que
termine su tiempo
de vida Se puede
colocar un
programa para su
monitoreo
R
E
A
C
T
O
R
Tanque de
aire-
compresor
Flujo de aire Bajo flujo de aire Poca generacioacuten
de radicales OH
Contar siempre con
medidores de aire
Sonicador Ultrasonido
Disminucioacuten en la
eliminacioacuten de
moleacuteculas
refractarias
Baja frecuencia Dar mantenimiento
al sonicador
Bomba Flujo de agua Aumento de flujo
de agua
No se lleva a cabo
una buena
mineralizacioacuten
debido al alto
volumen de agua
Contar con vaacutelvulas
automatizadas o
manuales en su caso
para controlar el
paso de agua
Catalizador Concentracioacuten Aumento de
concentracioacuten
La luz UV no
puede irradiar a
todas las
partiacuteculas si se
encuentran en
exceso
Agregar siempre la
cantidad exacta de
catalizador alta
concentracioacuten no
garantiza mejor
degradacioacuten
62
Conclusiones
Se disentildeoacute construyoacute y se puso en marcha un fotosonoreactor a nivel laboratorio Se realizoacute
una evaluacioacuten del comportamiento de fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis
utilizando un catalizador industrial (TiO2 Degussa P-25) durante la mineralizacioacuten de una
moleacutecula modelo Rodamina B Con base en los resultados experimentales a nivel
laboratorio se obtuvo que la sinergia aparenta ser la mejor tecnologiacutea para la degradacioacuten
de Rodamina B No obstante lo que corroborariacutea estos resultados seriacutean las simulaciones de
estas tecnologiacuteas a nivel industrial
Siguiendo el formalismo Langmuriano para las reacciones heterogeacuteneas y ley de potencia
para reacciones homogeacuteneas se desarrolloacute un modelo cineacutetico a nivel laboratorio que
describe el comportamiento de la degradacioacuten de Rodamina B eacuteste se acoploacute con un
modelo que considera los fenoacutemenos de transporte en un sistema de reaccioacuten para llevar a
cabo simulaciones que describieron la degradacioacuten del contaminante a nivel industrial
Mediante el meacutetodo de similitud geomeacutetrica nuacutemeros adimensionales y heuriacutesticas se
dimensionoacute el fotosonoreactor a nivel industrial y equipos perifeacutericos Se simuloacute cada uno
de los procesos heterogeacuteneos (fotocataacutelisis sonocataacutelisis y fotosonocataacutelisis) con las tres
tecnologiacuteas se obtuvieron buenos resultados ya que cada una de eacutestas logra degradar al
contaminante por debajo de los niveles permitidos (5ppm) por la SEMARNAT no
obstante por cuestiones de costo debidas a la regeneracioacuten del catalizador y debido a que
en el proceso de fotosonocataacutelisis existen fenoacutemenos de cavitacioacuten lo que ayudariacutea a que el
catalizador se regenerara constantemente se considera que el reactor fotosonocataliacutetico
podriacutea ser una tecnologiacutea viable para tratar moleacuteculas orgaacutenicas refractarias presentes en los
efluentes de aguas residuales
Se realizoacute una evaluacioacuten econoacutemica y de riesgos para el desarrollo del proceso El anaacutelisis
econoacutemico se realiza para ver la sustentabilidad del proceso sin embargo para una planta
tratadora de agua que se basa en cumplir las normas eacuteste se debe realizar en comparacioacuten
con otros procesos de tratamiento y esto no estaacute dentro de los alcances del proyecto No
obstante se realizoacute un anaacutelisis de costo para el proceso de fotosonocataacutelisis
63
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2013
65
Apeacutendice A
Curva de calibracioacuten
Para la curva de calibracioacuten se preparoacute una solucioacuten madre de 50 ppm (mgl) de solucioacuten a
degradar (Rodamina B) a partir de esta se hicieron soluciones utilizando la siguiente
relacioacuten
1 1 2 2V C = V C (1)
Donde
V1= volumen a tomar para preparar solucioacuten 2
C1= concentracioacuten de la solucioacuten madre
V2= volumen a aforar la solucioacuten 2
C2= concentracioacuten deseada de la solucioacuten 2
Caacutelculo para la curva de calibracioacuten Se realizaron mediciones de absorbancia en el
espectro UV-Vis partiendo de diluciones de Rodamina B y tomando aliacutecuotas
VA
CM = FD = CCVT
CM=concentracioacuten de la solucioacuten madre
VA=volumen a aforar
VT=volumen a tomar
CC=concentracioacuten de la curva de calibracioacuten
FD=10
Concentracioacuten (ppm) Absorbancia (mn)
10 0814
8 0664
6 0504
4 033
2 0166
1 0086
0 0
66
0
2
4
6
8
10
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Rodamina B
Concentracion de Contaminante
y = -0040284 + 122x R= 099982
Con
ce
ntr
acio
n d
e C
on
tam
ina
nte
(m
gl)
Absorbancia ( mn )
Las concentraciones molares se calcularon a partir de la pendiente y tomando las
absorbancias de acuerdo a la longitud de onda de la Rodamina B y azul de metileno
(λ=52 y λ=662 respectivamente)
Concentracioacuten molar= (Absorbancia (nm))(ELongitud de celda (cm))
Se calculoacute la concentracioacuten en funcioacuten del tiempo
67
Apeacutendice B
Conversiones de concentracioacuten de contaminante a concentracioacuten
de carbono en ppm
carbono carbonoscarbono
de la molecula
ppmPM
Concentracioacuten = 50PM
(2)
Determinacioacuten de Carboacuten Orgaacutenico Total
Al momento de llevar a cabo la fotosonodegradacioacuten se busca llegar a la completa
mineralizacioacuten de los contaminantes sin embargo durante la reaccioacuten se tiene la formacioacuten
de intermediarios
La evidencia de la existencia de estos intermediarios se obtiene mediante diferentes
teacutecnicas como el Carboacuten Orgaacutenico Total (COT) y la Cromatografiacutea de liacutequidos (HPLC)
Cabe sentildealar que en el presente trabajo soacutelo se han llevado a cabo las mediciones en TOC
Con las mediciones en el analizador de TOC se demuestra la mineralizacioacuten (parcial) de los
colorantes y los intermediarios De acuerdo a extensas revisiones bibliograacuteficas los
intermediarios encontrados comuacutenmente son tres compuestos aromaacuteticos hidroxilados la
hidroquinona catecol y benzoquinona [7]
Para calcular las concentraciones se utilizoacute la ecuacioacuten 1 con un factor de dilucioacuten=5
calculado con la ecuacioacuten 2
VA
CM = FD = CCVT
(3)
68
Experimento 1 (Luz con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3007 000 000
30 2977 047 021
60 2930 093 038
90 2831 140 051
120 2763 187 061
150 2754 235 068
180 2652 282 070
210 2639 330 069
240 2583 378 065
Experimento 2 (Luz sin catalizador)
Tiempo
(min) CR CM CI
0 3001 000 000
30 2924 000 038
60 2899 000 067
90 2890 004 087
120 2881 012 098
150 2873 024 101
180 2856 040 094
210 2839 059 087
240 2830 082 080
Experimento 3 (Sonido con catalizador)
Tiempo (min) C R CM CI
0 2924 000 000
30 2779 034 001
60 2753 081 005
90 2727 140 017
120 2676 212 048
150 2659 297 092
180 2608 394 148
210 2599 504 216
240 2591 626 298
69
Experimento 4 (Sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3018 000 000
30 2959 000 041
60 2916 001 072
90 2899 004 095
120 2899 012 108
150 2899 024 113
180 2881 040 108
210 2873 059 095
240 2864 082 072
Experimento 5 (Luz y sonido con catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3036 00 00
30 2903 00 18
60 2770 01 32
90 2638 03 42
120 2505 05 49
150 2494 08 53
180 2483 12 52
210 2472 17 48
240 2461 22 41
Experimento 6 (Luz y sonido sin catalizador)
Tiempo (min) CR CM CI
0 3009 00 000
30 2968 04 002
60 2933 08 004
90 2903 12 005
120 2878 16 007
150 2859 20 02
180 2845 24 04
210 2837 28 07
240 2834 32 10
70
Apeacutendice C
Modelo cineacutetico
El modelo cineacutetico heterogeacuteneo y propuesto es del tipo Langmuir-Hinshelwood Para el
desarrollo del modelo es necesaria la construccioacuten de un mecanismo que describa la
formacioacuten de los sitios activos sobre la superficie del catalizador el cual se desarrolla a
continuacioacuten
2Titania comercial DP-25 TIO e h
Formacioacuten del sitio activo
+ + -H O+ h H + HO
2
hv
- +HO +h HO
-
O + e O2 2
-O + 2H + 2e H O
2 2 2
2O + 2H O 2HO + 2HO + O2 2 2
H O +O 2HO +O2 2 2 2
-H O + e 2HO
2 2
Donde HO es el sitio activo (X) que se ocuparaacute para la fotocataacutelisis
Para el modelado cineacutetico del proceso bajo estudio se empleoacute un esquema de reaccioacuten de
tipo triangular Se considera que la adsorcioacuten se realiza en un solo sitio y la reaccioacuten se
lleva a cabo en estos sitios Ademaacutes se considera que todos los intermediarios formados se
agrupan en un teacutermino para ser modelados bajo el esquema de reaccioacuten seleccionado [26]
71
Mecanismo de reaccioacuten para cada moleacutecula aromaacutetica
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX
MX M+X
Etapa 3
A+X AX
AX+nX MX
MX M+X
Doacutende
A=Aromaacutetico
M=Mineralizados
I= Intermediarios
X=Sitos activos
Velocidad de reaccioacuten Ruta 1
Etapa 1
A+X AX
AX+nX IX
IX I+X
n
n n
n
A A A
1
A
A I
I I I I
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sCv C
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
A ICm = C +C +Cv =1
72
Para el caso de colorantes la ri = ri homogenea + ri heterogenea
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 1
1 1
1 1
n n
MA A A1
A A + M M + A A + M M +I I I I
k K C C K Cr s = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Velocidad de reaccioacuten Ruta 2
Etapa 2
I+X IX
IX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
2
I I I I
I M
M M M M
ra = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 2
2 2
2 2
n n
MI
+ + M + + M
I I2
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm =1 es la concentracioacuten total de sitios
73
Velocidad de reaccioacuten Ruta 3
Etapa 1
A+X AX
AX+nX MX+nX
MX M+X
n
n n
n
3
A A A
A M
M M M X M
Ara = k C Cv - k C = 0
rs = r = ksC Cv - k sC Cv
rc = k C - k N C Cv = 0
Balance de sitios
M ICm = C +C +Cv =1
Por lo tanto la velocidad de reaccioacuten para la ruta 3
32
3 3
nn
MA
+ + M + + M
A A3
A A I I M A A I I M
k K C C K Cr = =
(K C K C K C +1) (K C K C K C +1)s
Donde Cm = 1 es la concentracioacuten total de sitios
Por lo tanto
1 3 A
I1 3 I
M2 + r3 M
AdC= -r - r = R
dt
dC= r - r = R
dt
dC= r = R
dt
74
Apeacutendice D
Estimacioacuten de paraacutemetros
La estimacioacuten de constantes de adsorcioacuten y constantes cineacuteticas se obtiene utilizando un
meacutetodo de minimizacioacuten de Levenberg-Marquardt programado en un coacutedigo en ambiente
Fortran
El algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) es un algoritmo iterativo de optimizacioacuten en el
que el meacutetodo de iteracioacuten presenta una ligera modificacioacuten sobre el meacutetodo tradicional de
Newton Las ecuaciones normales N∆=JT J∆=JT ε (J representa el jacobiano de la funcioacuten
∆ los incrementos de los paraacutemetros y ε el vector de errores residuales del ajuste) son
reemplazadas por las ecuaciones normales aumentadas
Nrsquo∆=JT ε donde Nrsquoii=(1+λi ) Nii y Nrsquoii= Nii para inej El valor de λ es inicialmente puesto
a alguacuten valor normalmente λ=1 -3 I el valor de ∆ obtenido resolviendo las ecuaciones
aumentadas conduce a una reduccioacuten del error entonces el incremento es aceptado y λ es
dividido por 10 para la siguiente iteracioacuten Por otro lado si el valor de ∆ conduce a in
aumento del error entonces λ es multiplicado por 1 y se resuelven de nuevo las
ecuaciones normales aumentadas este proceso continuacutea hasta que el valor de ∆ encontrado
da lugar a un decremento del error Este proceso de resolver repetidamente las ecuaciones
normales aumentadas para diferentes valores de λ hasta encontrar un valor aceptable de ∆
es lo que constituye una iteracioacuten del algoritmo de LM
75
Apeacutendice E
Obtencioacuten de velocidad de reaccioacuten
La velocidad de reaccioacuten para cada uno de los sistemas evaluados lo usamos para
comparar la eficiencia de las tecnologiacuteas de manera numeacuterica en teacuterminos de la
degradacioacuten de Rodamina B y la produccioacuten de productos intermediarios y mineralizados
Para obtener la velocidad de reaccioacuten en teacuterminos de carbono de cada especie en el sistema
reaccionante usamos como referencia
dCi Δci=
dt Δt
Por lo tanto tenemos la siguiente Tabla donde se muestran las tasas de reaccioacuten promedio
para cada especie en sistemas homogeacuteneos y heterogeacuteneos
Velocidades de reaccioacuten experimental heterogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio (mgl min)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotocataacutelisis -219E-02 270E-03 157E-02
Sonocataacutelisis -139E-02 124E-02 261E-02
Sinergia -186E-02 170E-02 908E-03
Velocidades de reaccioacuten experimental homogeacuteneos
Velocidad de reaccioacuten promedio(lmin)
Sistemaespecie Rodamina B Intermediarios Mineralizados
Fotoacutelisis -710E-03 330E-03 340E-03
Sonoacutelisis -640E-03 300E-03 341E-03
Sinergia -731E-03 410E-03 131E-03
76
Apeacutendice F
Escalamiento del reactor
Debido a que el disentildeo del fotosonoreactor estaacute limitado geomeacutetricamente a ciertas
condiciones de operacioacuten como son longitudes maacuteximas entre la pared del reactor y el tubo
de luz el escalamiento se realizaraacute en base a similitud geomeacutetrica A partir de las
similitudes geomeacutetricas el disentildeo industrial se realizaraacute a partir de estas restricciones
Entonces para hallar las dimensiones del reactor industrial se respetoacute la siguiente relacioacuten
cabe mencionar que las dimensiones industriales se obtuvieron a partir de multiplicar las
dimensiones a nivel laboratorio por un factor de 10
D DLab Ind=
A ALab Ind
Donde
D = diaacutemetro a nivel laboratorio = 0138mLab
A = altura a nivel laboratorio = 0198mLab
D = diaacutemetro a nivel industrial = 138mInd
A = altura a nivel industrial = 198mInd
Ademaacutes de acuerdo a nuestro disentildeo se requiere calcular la cantidad de catalizador que se
requiere para impregnar las paredes del reactor
Para obtener los gramos de catalizadorm
2 que se necesitan para impregnar las paredes del
reactor
Aacuterea lateral del reactor
2A = 2πrL = πDL = π(138m)(198m) = 858m
El diaacutemetro de las partiacuteculas del catalizador van de 30-90nm
para efectos de nuestro caacutelculo tomamos como diaacutemetro de
partiacutecula
-91x10 m -890nm( ) = 9x10 m1nm
77
Calculamos el aacuterea del ciacuterculo que describe la esfera
-8D 9x10 m2 2 2 -15 2A = πr = π( ) = π( ) = 636x10 m2 2
Obtenemos el nuacutemero de esferas que caben en el aacuterea del reactor
2858m 15= 135x10 partiacuteculas-15 2636x10 m
g6Densidad de las esfeacuteras = 35x103m
4 1 13 3 -8 3 -22 3Volumen de una partiacutecula = πr = πD = π(9x10 m) = 382x10 m3 6 6
Entonces
1g6 -22 3 2(35x10 )(382x10 m )( ) = 021 g m3 -15 2m 636x10 m
2021 g m Para 1 capa de esferas como queremos garantizar que siempre haya catalizador
disponible para la reaccioacuten proponemos impregnar 5 capas de catalizador en las paredes
del reactor entonces la cantidad de catalizador que necesitamos por m2 es
2 2(021g m )(5 capas) = 105 g de catalizador m
78
Apeacutendice G
Dimensionamiento de equipos
Tuberiacuteas
El diaacutemetro oacuteptimo de las tuberiacuteas se calculoacute utilizando el nuacutemero Reynolds la densidad
del fluido la velocidad del fluido en la tuberiacutea y el meacutetodo descrito en el monograma
siguiente El diaacutemetro de la tuberiacutea que se obtuvo para el agua fue de 25 in Se utilizoacute el
mismo diaacutemetro para la tuberiacutea que transportara el aire
Nomograma para la estimacioacuten del diaacutemetro oacuteptimo de la tuberiacutea para fluidos turbulentos o
viscosos
79
Disentildeo de la bomba
La potencia requerida de la bomba para transportar hasta 10L s se obtuvo de la siguiente
manera
Sabemos que la expresioacuten para calcular el nuacutemero de Reynolds para un flujo en tuberiacutea es
vDρRe =
μ
Datos teacutecnicos para tuberiacutea de acero inoxidable de 25 in
Diaacutemetro
nominal (in)
Diaacutemetro
externo (in)
No De ceacutedula Diaacutemetro
interno (in)
Espesor de
pared (in)
25 2875 405 2469 0203
Aacuterea de la tuberiacutea
2 2D 0063m2 -3 2A = πr = π = π = 309x10 m2 2
Velocidad
Transformamos el flujo de agua a tratar (10Ls) en velocidad
3m001
Q msv = = = 324-3 2A s309x10 m
Nuacutemero de Reynolds en la tuberiacutea
m Kg(324 )(0063m)(1000 )
3s mRe = = 22778888Kg-489x10
mtimess
80
Considerando que
Flujo turbulento Re gt 2100
Flujo viscoso Re lt 2100
Entonces tenemos flujo turbulento en la tuberiacutea ya que
22778888 gt 2100
La siguiente ecuacioacuten se usa para obtener el factor de friccioacuten de Darcy y es vaacutelida para
3 810 Re 10 y -6 210 ε D 10
Rugosidad absoluta de la tuberiacutea mε =
Para tuberiacutea de acero inoxidable
-62x10 m ε =
025 025f = = = 0016
2 -62x10 m 574ε 574 log +log + 0909 371(0063m)371D 22778888Re
Entonces para la caiacuteda de presioacuten en el tubo
2L w-6ΔP = 336x10 f5 ρd
i
La longitud es equivalente de vaacutelvulas y codos no es significativo ya que la longitud total
del tubo no se veraacute afectado por esa relacioacuten
3 3L 1dm 1m kg kgw = (10 )( )( )(1000 ) = 10
3 3s 1L s1000dm m
81
Ecuacioacuten de energiacutea para el flujo entre 2 puntos
2 2P v P v1 1 2 2+ z + - h = + z +
L1 2γ 2g γ 2g
2 2v - v2 1P - P = γ (z - z ) + + h
L1 2 2 1 2g
Como v = v entonces 1 2
ΔP = γ (z - z ) + hL2 1
3γ = peso especiacutefico del agua = 9786 N m
2m
3242L v 14m sh = fx x = 0016x x = 184m
L D 2g 0003 m2 992
2s
N N
ΔP = 9786 4m - -4m +184m = 9629424 = 9629424Pa3 2m m
Bomba centrifuga
Para el caacutelculo de la potencia de la bomba centrifuga se utilizoacute la siguiente relacioacuten
QΔP
w =η
(1)
De acuerdo a las especificaciones y a las heuriacutesticas [40]
la eficiencia de la bomba
es alrededor del 30
82
3N m9629424 001
2 smw = = 321kW = 430 HP
030
Entonces necesitamos una bomba de 5HP La bomba seleccionada es de la marca Evans y
aquiacute se enlistan las caracteriacutesticas de dicha bomba
Motobomba industrial eleacutectrica con motor de 5 HP uccioacuten de 3 y descarga de 25rdquo
Usos Bomba adecuada para uso comercial industrial sistemas de riego de grandes
aacutereas lavanderiacuteas industriales pequentildeos hoteles etc
Beneficios Ahorro de energiacutea eleacutectrica Abastecimiento seguro de agua Proteccioacuten
de la sobrecarga del motor Durable por su material de hierro fundido
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Tipo de Motor Eleacutectrico
Tiempos del Motor NA
Marca del motor Siemens Weg
Potencia del Motor 500 hp
Desplazamiento NA
RPM del Motor 3450 RPM
Encendido NA
Capacidad del Tanque de Combustible NA L
Aceite Recomendado NA
Mezcla de Aceite NA
Sensor de bajo nivel de aceite NA
Capacidad de aceite NA
Voltaje 220 440 V
Fases del motor Trifaacutesico
Proteccioacuten teacutermica Si
Longitud de cable NA
Bomba
Tipo de Bomba Industrial
Flujo Optimo 75000 LPM
Altura Optima 1900 m
Paso de solidos 000 in
83
Numero de etapas 1 etapas
Diaacutemetro de succioacuten 300 in
Diaacutemetro de descarga 300 in
Tipo de impulsor Closed
Material del cuerpo Hierro gris
Material del impulsor Hierro gris
Material del sello mecaacutenico Ceraacutemica carboacuten acero
inoxidable
Temperatura Maacutexima del Agua 40 C
Incluye NA
Informacioacuten Adicional
Garantiacutea 1 Antildeo
Certificacioacuten NINGUNA
Dimensiones 5520 X 3820 X 3350 cm
Peso 6100 kg
Disentildeo del Compresor
Para calcular el flujo de aire que necesitamos alimentar al reactor lo primero que hacemos
es calcular el Reynolds del flujo de aire en el tubo a nivel laboratorio
3ρ = 109kg maire
-4μ = 89x10 kg m timessaire
-3D = 5mm = 5x10 m
-5 3Q = 24L min = 4x10 m s
22 -3D 5x102 -5 2A = πr = π = π = 196x10 m2 2
-5 3Q 4x10 m sv = = = 204m s
-5 2A 196x10 m
-3 3vDρ (204m s)(5x10 m)(109kg m )Re = = ( = 1250
Lab -4μ 89x10 kg mtimess
84
Ahora que ya conocemos el Reynolds del tubo de alimentacioacuten de aire al reactor a nivel
laboratorio igualamos este valor con el Reynolds a nivel industrial y despejamos la
velocidad de aire la cual seraacute la que se va alimentar al reactor industrial cabe mencionar
que el diaacutemetro del tubo que se propuso para alimentar el aire a nivel industrial es de 25
pulgadas entonces
vDρ1250 =
μ
-4(1250)μ (1250)(89x10 kg mtimess)v = = = 016m s
3Dρ (00635m)(109kg m )
2 2D 006352 -3 2Aacuterea del tubo industrial = πr = π = π = 317x10 m2 2
3m m L L-3 2 -4(016 )(317x10 m ) = 5072x10 = 05 = 304s s s min
304 Lmin de aire es el flujo que tendriacutea que proporcionar nuestro compresor al reactor
Compresor de Aire Lub 2 etapas 5 Hp Trifaacutesico con tanque vertical de 300 l y 175 Psi
maacutex
Especificaciones teacutecnicas
Motor
Potencia del Motor 500 HP
Velocidad del Motor 1750 RPM
Tipo de Motor Eleacutectrico
Marca del Motor NA
Fases Trifaacutesico
Voltaje 220 440
Aceite Recomendado NA
Capacidad de Aceite 0
Centro de Compresioacuten
85
Nuacutemero de Cabezas 1
Numero de Etapas 2
Numero de CilindrosPistones 2
Velocidad de la Cabeza 600 1200
RPM
Modelo de la Cabeza CE230-C
Aceite Recomendado para la
Cabeza
RC-AW100
(venta por
separado)
Potencia Mecanica de la
Cabeza 500 HP
Desplazamiento 2300 cc
Caracteriacutesticas
Tipo de Compresor Lubricado
Presion Maxima 175 PSI
PCM 40 PSI 2100 PCM
PCM 80 PSI 000 PCM
PCM 90 PSI 1800 PCM
PCM 150 PSI 1560 PCM
Capacidad del Tanque 30000 L
Posicion del Tanque Vertical
Ciclo de Trabajo
70 de uso
y 30 de
descanso
Tiempo de Vida 10000 horas
Acoplamiento del Motor a la
Cabeza Banda V
86
Tipo de Guarda Metaacutelica
Presentacion Estacionario
Informacioacuten Adicional
Garantia de Ensamble 1 antildeo
Garantia del Tanque 1 antildeo
Certificacion NA
Dimensiones de Empaque
7240 X
9650 X
20800 cm
Peso 21000 k
Disentildeo del distribuidor
Caiacuteda de presioacuten en el lecho
En la experimentacioacuten usamos 1g de catalizador 1L de solucioacuten entonces como el
volumen total de nuestro reactor es de 2946L para la operacioacuten industrial debemos usar
2946 g de catalizador para respetar las proporciones
3 3cm 1m -4 3Vp = Volumen de las partiacuteculas = 2946g( )( ) = 842x10 m6 335g 1x10 cm
138m 2 3V = Volumen del reactor = Abtimes h = π( ) (198m) = 2946m2
-4 3V 842x10 mpε = 1- = 1- = 099mf 3V 2946m
m9812g kg kg sΔP = (1- ε )(ρ - ρ ) L = (1- 099)(3500 -109 )( )(198m) pB mf f mf 3 3 2gc m m 1kgms
1N
-3N = 68649 = 68649Pa = 686x10 bar2m
87
Kunii y Levenspiel proponen en su libro un procedimiento generalizado para el disentildeo de
un distribuidor
1 Determinar la caiacuteda de presioacuten necesaria a lo largo del distribuidor La experiencia en
distribuidores indica que si el distribuidor posee una caiacuteda de presioacuten suficiente se garantiza
un flujo similar en toda la seccioacuten del distribuidor La regla heuriacutestica en el disentildeo de las
placas distribuidoras es
ΔP = (02 a 04)ΔPg B
Esto indica que la caiacuteda de presioacuten en el distribuidor debe ser menor que la que se observa
en el lecho en un porcentaje que va del 20 al 40 de la peacuterdida de carga en el lecho
entonces
-3 -3ΔP = 03ΔP = 03(686x10 bar) = 206x10 barg B
2 Obtener el valor correspondiente de Cdor El coeficiente de descarga es funcioacuten del
espesor del plato distribuidor del arreglo de los agujeros etc Hay diferentes correlaciones
dependiendo del tipo del distribuidor Usaremos la relacioacuten que presenta Kunii y
Levenspiel en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds del lecho (D= diaacutemetro del lecho y u es la
velocidad superficial en el lecho) El Reynolds se calculoacute anteriormente y se obtuvo el
valor de 10342 este valor es mayor a 3000 por lo que para este nuacutemero de Reynolds
corresponde un valor de Cdor = 06
Coeficiente de descarga para platos perforados y boquillas
Re 100 300 500 1000 2000 gt3000
Cdor 068 070 068 064 061 060
3 Determinar la velocidad del gas a traveacutes del orificio La relacioacuten uouor nos da la
fraccioacuten de aacuterea libre en el distribuidor Confirmar que este valor es menor de 10
052kgms05 -3 1Pa2(206x10 bar)( )( )2ΔP -5 1Pag 1x10 barυ = Cd = 06 = 1167m sor or kgρ 109f 3m
88
20002mπ( )Au Aacuterea total de los orificios -6or 2= = = = (21x10 )2138mu A Aacuterea total transversal de la grilla π( )or t 2
La heuriacutestica dice que la fraccioacuten de aacuterea libre no debe ser mayor al 10
-6 -4(21x10 )(100) = 21x10 lt 10
4 Decidir en el nuacutemero de orificios por unidad de aacuterea necesarios en el distribuidor y
encontrar el diaacutemetro de orificio El nuacutemero de orificios depende del diaacutemetro
seleccionado tomamos como velocidad de alimentacioacuten del gas de 10ms ya que es un
valor por encima de la velocidad miacutenima de fluidizacioacuten y debajo de la velocidad terminal
m mυ + υ 0026 + 2 mT s smf = = 12 2 s
Para un diaacutemetro de orificio de 0002m = 2mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N regN = = = 27276 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0002m) (1167 ) mor or s
Para un diaacutemetro de orificio de 0003m = 3mm
m4(10 )π 4υ orificios2 sυ = d υ N reg N = = = 12123 or or or or 2 2 2m4 πd υ π(0003m) (1167 ) mor or s
Tipos de distribuidores
Los distribuidores (tambieacuten llamados grillas) deben disentildearse para
Producir una fluidizacioacuten estable en todo el lecho
Operar por varios antildeos sin obstruirse o romperse
Soportar el peso del lecho en el arranque de la unidad
Minimizar el escurrimiento de soacutelidos debajo de la grilla
Existen muchos tipos de grillas en la siguiente figura soacutelo se esquematizan algunas de
ellas
89
Distribuidores o grillas comunes
Platos perforados son de simple fabricacioacuten y econoacutemicos sin embargo pueden deformarse
durante la operacioacuten para evitar el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se requiere
una alta peacuterdida de carga
Boquillas con este disentildeo el pasaje de soacutelidos hacia debajo de la grilla se evita casi
totalmente sin embargo suelen ser costosas difiacuteciles de limpiar
Burbujeadores como son tubos perforados los soacutelidos no pueden ingresar a la zona por
donde entra el medio de fluidizacioacuten sin embargo se pueden localizar soacutelidos debajo del
burbujeador y no integrarse al lecho
Grillas laterales coacutenicas promueven un buen mezclado de los soacutelidos evitan la segregacioacuten
y facilitan la descarga de los soacutelidos Son relativamente maacutes complicadas para construir y
requieren una peacuterdida de carga de consideracioacuten para asegurar una buena distribucioacuten del
fluido
Laacuteminas perforadas Las placas son relativamente finas poseen agujeros semieliacutepticos con
un borde sobresaliente (similar a los tiacutepicos rayadores de queso) Los agujeros permiten por
ejemplo conducir los soacutelidos hacia el aacuterea de descarga
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Disentildeo de las laacutemparas
Para obtener la potencia de la laacutempara a nivel industrial se emplea el Teorema de π-
Buckingham
Variables implicadas en el proceso
Variable Unidades
Diaacutemetro de laacutempara L
Diaacutemetro de reactor L
Intensidad de la laacutempara I frasl
Altura h L
Densidad ρ frasl
Viscosidad micro frasl
Velocidad v frasl
Se tienen 7 paraacutemetros y 3 unidades fundamentales por lo que nos resultan 4 grupos
adimensionales
Elegimos 4 variables de las 7 que son DL DR I h
Nota Se desarrollara solo para un grupo adimensional Los demaacutes se resuelven
anaacutelogamente
Tomando DR constante
[
]
[
]
[
]
Resolviendo el sistema
M a = 1
L b = 1
t c = -1
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Teniendo el Re se lee el valor de Fr y despejamos la potencia (P) que seriacutea la energiacutea que
necesita la laacutempara para irradiar la misma cantidad de luz en el reactor industrial
Al tomar el Re = 4648 nos da un Fr = 6x10-6
despejamos P nos queda
Disentildeo del sonicador
50 W es la potencia que se utilizoacute para los experimentos a nivel laboratorio entonces para
determinar la potencia del sonicador a nivel industrial se usoacute la siguiente relacioacuten
P PLab Ind=
V VLab Ind
Entonces la potencia requerida del sonicador industrial es
P 50 WLabP = ( )(V ) = ( )(2946 L) = 147300 WInd IndV 1 L
Lab
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Apeacutendice H
Meacutetodo para medir el carbono orgaacutenico total [24]
En un matraz Erlenmeyer se agregan 10 mL de muestra y 50 mL de
agua 04 mL de solucioacuten buffer pH 20 se agita durante 10 minutos
Etiquetar los dos frascos y agregar el TOC
En el frasco etiquetado como blanco agregar 3 mL de agua libre y en el
frasco etiquetado como muestra se agregan 3 mL de muestra
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Limpiar las ampolletas azules (no tocarlas por debajo del cuello)
introducir 1ampolleta en cada uno de los frascos
Programar el reactor a T= 103-105degC durante dos horas y tapar
pasadas las dos horas se retiran los frascos y se dejan enfriar por 1
hora
Se mide la absorbancia seleccionando el programa en el UV para
medir el carbono organico total (TOC)
