TRATAMIENTO DE LÍQUIDOS EFLUENTES MEDIANTE UNA TÉCNICA DE PLASMAS FRÍOS UTILIZANDO UN REACTOR DE PLASMA EN SOLUCION

Abstract

Hoy en día existe una creciente preocupación debido a los potenciales efectos adversos en los ecosistemas acuáticos y en los humanos por causa de los efluentes de las industrias textiles. Algunas investigaciones (Ohe, Watanabe, & Wakabayashi, 2004) indican que algunos ríos de América, Asia y Europa se encuentran contaminados por agentes patógenos, incluso se encontró que la aportación a la contaminación de la industria química, petroquímica, refinerías, etcétera son bastante considerables ya que los efluentes de dichas industrias se vierten en los ríos cuando están parcialmente tratados o en ocasiones sin tratar. De acuerdo a las estadísticas, el 15% (Huang, et al., 2010) de la producción mundial de colorantes son descargados al ambiente en forma de aguas residuales causando graves problemas a las fuentes subterráneas de abastecimiento de agua. Por otro lado, un gran número de productos orgánicos no pueden ser degradados por los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales como el proceso de lodos activados, debido a que su estructura molecular es muy estable, lo que hace necesario el desarrollo de nuevos métodos para el tratamiento de estos compuestos y que de alguna manera sean más eficientes que los métodos convencionales. Entre ellos están las tecnologías que utilizan el plasma como el reactor de descargas de barrera dieléctrica (DBD) que ha atraído el interés de muchos científicos en años recientes por sus ventajas únicas, tales como las de superar varias limitaciones de los métodos tradicionales (Huang et al., 2010). Por otra parte, estas tecnologías de plasma son ampliamente utilizadas en tratamientos catalíticos, tratamiento de superficies, degradación de componentes orgánicos volátiles, entre muchos otros. Entre las nuevas tecnologías para el tratamiento de líquidos contaminados se encuentran las técnicas con plasmas fríos. El plasma es un gas ionizado, un cuarto estado distinto de la materia. Ionizado significa que al menos un electrón no está unido a un átomo o molécula, convirtiendo los átomos o moléculas en iones cargados positivamente. A medida que aumenta la temperatura las moléculas suelen tener más energía y se va transformando la materia en la secuencia: sólido, líquido, gas, y, finalmente, plasma (Fridman, 2008). No todos los átomos están del todo ionizados, los plasmas fríos utilizados en el procesamiento de plasma son sólo un 1-10% ionizado, el gas restante se encuentra como átomos neutrales o 11 moléculas. A temperaturas extremadamente altas, tales como aquellas de la investigación de la fusión nuclear, los plasmas quedan totalmente ionizados, lo que significa que todas las partículas están cargadas, y no necesariamente que los núcleos de los átomos han sido despojados de todos sus electrones (F. F. Chen & Chang, 2002). Los efluentes residuales que pueden causar problemas ecológicos y ambientales pueden contener materia orgánica y diferentes tipos de compuestos. El tratamiento consiste en degradar los compuestos orgánicos contaminantes y el material en suspensión, además de los agentes inorgánicos que se encuentran disueltos en el efluente, la oxidación química es un tipo de tratamiento, y una alternativa a este, es el uso de tecnología de plasma fríos. En las técnicas de plasmas fríos se generan especies químicas que son altamente reactivas y propician el tratamiento de los efluentes (Sanchez-Castillo, Gonzalez-Cordero, Carrillo-Pedroza, & Cruz-Barba, 2012). El ozono es un potente oxidante que se produce a partir de un proceso industrial con plasmas fríos, particularmente un reactor de descarga de barrera dieléctrica (DBD). Este compuesto es una alternativa a los tratamientos con cloro ya que es capaz de oxidar materia orgánica además de eliminar olores. Es importante señalar que el único método económico para la producción de ozono es con descargas de barrera dieléctrica con oxígeno o aire a presión atmosférica con plasmas fríos (Schmidt, Schneider, & Wagner, 2013). En 2010, Konsowa et al., estudiaron la decoloración de aguas residuales industriales que contienen el colorante Drimarene red CL-3B, por medio de un proceso avanzado de oxidación con ozonización en un reactor semibatch seguido de un proceso de adsorción con carbón activado. Se encontró que conforme aumenta la concentración de ozono, flujo y pH se reduce significativamente el tiempo de tratamiento para obtener la degradación del compuesto (Konsowa, Ossman, Chen, & Crittenden, 2010). Algunos grupos de investigación (Mok, Jo, & Whitehead, 2008), (Manoj Kumar Reddy, Rama Raju, Karuppiah, Linga Reddy, & Subrahmanyam, 2013) aplicaron tecnologías de plasmas fríos generadas por un reactor DBD para la degradación de colorantes, Mok en 2008, demostró que un reactor de DBD es capaz de degradar el azo naranja II y concluyeron que los anillos de la estructura química de este compuesto son rápidamente destruidos por 12 dicho reactor. En 2011, Fangmin et al., diseñaron un reactor de descargas de barrera dieléctrica para la degradación de azul de metileno, encontraron que la degradación del azul de metileno se encuentra en función del pH de la solución. En 2011, Watanabe estudio la descomposición de varios compuestos orgánicos, entre ellos la acetona, fenol y tetrafluorometano utilizando un reactor de plasma a presión atmosférica. Recientemente, la degradación de ciertos compuestos orgánicos contaminantes se ha convertido en el foco central de los esfuerzos en lo que a materia ambiental se refiere. Comparando las tecnologías de fotocatálisis, degradación electroquímica, oxidación por peróxido de hidrógeno, con la oxidación por plasma, se ha demostrado que esta última muestra algunas ventajas. Específicamente, el DBD produce, directamente en el contaminante, especies altamente reactivas que incluyen moléculas y radicales que facilitan la degradación debido a las colisiones y choques entre éstas y que además no producen contaminación secundaria. Comparadas con otras tecnologías, el plasma se ha considerado muy prometedor; sin embargo, dentro del proceso de degradación es importante analizar los parámetros de operación y los productos intermedios y finales durante la degradación del contaminante, pero es más importante aún estudiar el mecanismo de degradación ya que este provee información vital para aplicaciones prácticas e investigaciones teóricas. A partir de esto, se propone estudiar un sistema de reacción a partir de plasmas fríos, en concreto un reactor de plasma en solución, en el cual se inyecta oxígeno al reactor para formar ozono, entre otras especies activas, que promueven la reacción de degradación de compuestos orgánicos tales como colorantes. En este tipo de sistemas el formar el plasma en las burbujas que se encuentran en el seno de la solución asegura que inmediatamente después de la formación del plasma las especies reactivas entren en contacto con el líquido a tratar aumentando la eficiencia del sistema. El estudio de este tipo de sistemas se encuentra en constante crecimiento debido a la importancia de encontrar nuevas tecnologías y métodos más eficientes de los actuales, y partiendo de esta tendencia es que se propone este sistema que pretende ser más económico y además más amigable con el medio ambiente. Es importante mencionar la relevancia que tienen los productos de reacción tanto los que se encuentran en la solución a tratar como los que se escapan junto con el gas precursor.