Tesis doctoral de Israel San Martin Alba
El agua es un recurso natural que, en las últimas décadas, ha sido explotado en la agricultura y la industria sin tener en cuenta los efectos que sobre el medioambiente podrían tener dichas actividades en relación con su calidad. En los últimos años, cada vez más, escuchamos términos como sostenibilidad medioambiental, impacto ambiental, etc. Nuevas legislaciones más estrictas en cuanto a la calidad de los vertidos han ido surgiendo, principalmente en los países desarrollados. Existe una mayor sensibilización hacia estos temas, tanto por parte de la ciudadanía como de los poderes públicos y los sectores que, habitualmente, son los causantes de la contaminación de las aguas. especialmente característico de los usos industriales del agua en los tiempos modernos es la enorme importancia que tiene en ellos el alto consumo en la generación de energía (más del 50 % del consumo industrial del agua corresponde a centrales térmicas y nucleares). Teniendo en cuenta que el número de instalaciones térmicas para generación de energía va en aumento cada año, es necesario estudiar y diseñar procesos para la depuración de estas grandes cantidades de agua, adaptados a la realidad de cada planta y de la correspondiente legislación. A través de esta investigación se pretende desarrollar una propuesta de tratamiento eficaz para las aguas procedentes del lavado del gas de síntesis generado en las centrales térmicas de gasificación integrada en ciclo combinado (gicc). Algunos de los contaminantes más característicos de estas aguas son los cianuros, el contenido en materia orgánica (un porcentaje importante en forma de formiatos), fluoruros, sólidos en suspensión, amoniaco, sulfuros, cloruros y sulfatos. De éstos, podemos destacar los cianuros (sustancia clasificada como peligrosa por la epa) y la materia orgánica como objetivos principales de cara a un posible tratamiento alternativo a los ya existentes, ya que, antes del tratamiento, suelen estar en concentraciones muy superiores a los límites de vertido permitidos por la confederación hidrográfica correspondiente. las técnicas convencionalmente empleadas para el tratamiento de aguas cianuradas comprenden procesos como la cloración o la oxidación química mediante ozono. Sin embargo, estos procesos necesitan grandes cantidades de reactivos para garantizar tasas elevadas de degradación de contaminantes, lo que supone unos costes muy elevados. Además, en el caso de la cloración, hay que tener en cuenta los costes adicionales producidos al trabajar en condiciones de ph básico y la generación de intermedios altamente tóxicos que, junto con el cloro residual, suponen un riesgo para el medioambiente y obligan a un tratamiento posterior para su eliminación. A partir del siglo pasado, principalmente en la segunda mitad, se han realizado numerosos trabajos que estudian y proponen tratamientos alternativos para este tipo de aguas cianuradas y con otros contaminantes orgánicos tóxicos o resistentes a los tratamientos tradicionales. Dentro de estas técnicas podemos destacar los procesos de oxidación avanzada (poas), que han mostrado una gran efectividad en la destrucción de compuestos refractarios, y que se caracterizan por utilizar de forma simultánea combinaciones de oxidantes clásicos como, por ejemplo, ozono, radiación ultravioleta y peróxido de hidrógeno, con el fin de generar radicales más oxidantes que éstos, generalmente radicales hidroxilo (¿oh). Dentro de estos procesos, la fotocatálisis heterogénea, principalmente con tio2 como catalizador, y la fotocatálisis homogénea mediante el proceso foto-fenton, son los más ampliamente estudiados y con mayor proyección industrial. en este trabajo de investigación se han realizado ensayos con diferentes poas, con el fin de seleccionar aquellos que mejor resultado ofrecen en el tratamiento de aguas procedentes de centrales térmicas gicc y optimizar su funcionamiento. Previamente, se aplicó un tratamiento físico-químico al agua mediante coagulación-floculación, para adecuar algunos parámetros de la misma de cara a su posterior tratamiento fotocatalítico. Concretamente, se persigue la eliminación de sólidos en suspensión y de fluoruros para evitar posibles efectos inhibidores en el proceso de fotocatálisis. De esta manera, se han optimizado las dosis de coagulante (15,9 g/g f-) y de floculante (0,02 g/g f-), y se ha estudiado el efecto del ph en el rango entre 9,5 y 12, observando que la eliminación de estas sustancias disminuye conforme aumenta éste. una vez optimizado el tratamiento previo físico-químico, se han realizado una serie de experimentos preliminares, en instalaciones a escala de laboratorio, empleando los siguientes tratamientos sin optimizar: h2o2, fenton, tipo-fenton, fotólisis uv, uv/h2o2, foto-fenton, foto-tipo-fenton y uv/h2o2/tio2. A partir de los resultados obtenidos, se han determinado como técnicas más adecuadas para el tratamiento de las aguas de estudio la fotocatálisis heterogénea y la fotocatálisis homogénea mediante los procesos foto-tipo-fenton y foto-fenton. a continuación, se ha profundizado en el estudio de cada uno de estos tratamientos. En una primera etapa, a escala de laboratorio, se han realizado diversos diseños factoriales de experimentos con el fin de optimizar el tratamiento de fotocatálisis heterogénea, comparando dos catalizadores distintos (tio2 y zno) y estudiando también la influencia del ph en el proceso. Tras ajustar con redes neuronales artificiales (rnas) los resultados, obtenemos unas constantes cinéticas de degradación de cianuros y formiatos de 0,4 min-1 y 0,09 min-1, respectivamente, siendo más lenta la degradación con zno que con tio2. Esto equivale a porcentajes de degradación del 100 % de cianuros en 10 minutos y del 98 % de formiatos en aproximadamente 35 minutos. Sin embargo, las dosis de h2o2 y catalizadores empleadas para alcanzar estos resultados son excesivamente elevadas, lo que supone un inconveniente si se quiere plantear una posible aplicación industrial del proceso. Por otro lado, la recuperación de catalizador es también un proceso adicional costoso. en cuanto a la optimización del proceso foto-tipo-fenton, se ha realizado un diseño factorial compuesto central, desarrollado también a escala de laboratorio, empleando cu(ii) como catalizador. Los resultados obtenidos, tras el ajuste mediante redes neuronales, muestran la eficacia del tratamiento, alcanzando el 100 % de eliminación de cianuros en 60 minutos y el 80 % para los formiatos en 180 minutos. Sin embargo, la concentración de peróxido de hidrógeno empleada es, de nuevo, excesivamente elevada desde un punto de vista industrial. partiendo de estos inconvenientes que presentan tanto los procesos heterogéneos como la fotocatálisis homogénea con cobre, se han realizado, en una segunda etapa a escala de planta piloto, tres diseños factoriales de experimentos para estudiar y optimizar el proceso de fotocatálisis homogénea foto-fenton. En los dos primeros se han tratado aguas con contenido en cianuros y hcoo- con el objetivo de estudiar la degradación de ambos contaminantes, realizando una única adición de h2o2 al inicio de cada ensayo. En el tercero, se ha estudiado en profundidad la mineralización de materia orgánica, introduciendo algunas modificaciones en el proceso foto-fenton, como la dosificación del peróxido de forma continua, para evitar un posible efecto atrapador de radicales ¿oh, y la incorporación de una fuente extra de oxígeno molecular mediante la adición de aire. Tras ajustar los resultados con redes neuronales, se obtienen porcentajes de degradación similares a los obtenidos con los procesos anteriores, aunque para tiempos mayores de tratamiento, debido entre otras cosas al empleo de plantas piloto que tratan mayores volúmenes de agua residual. Sin embargo, las concentraciones de h2o2 y de catalizador son significativamente menores, haciendo el proceso más factible industrialmente que el resto de los tratamientos ensayados. finalmente, se realizó un diseño factorial de experimentos para estudiar la viabilidad del proceso solar-fenton empleando luz solar en lugar de radiación uv artificial. En este caso, el proceso está asistido mediante ferrioxalato, lo que se consigue adicionando al agua ácido oxálico en presencia de fe(iii). La teórica pérdida de efectividad en la degradación de contaminantes al emplear luz solar se compensa gracias a la fotoactividad de los complejos de ferrioxalato formados, que absorben radiación en el rango uv-a y el visible. De esta forma, se obtienen porcentajes de degradación del 100 % para cianuros y de 80 % para el cot, con una energía acumulada de 250 wh (aproximadamente 3 horas, en función de las condiciones climatológicas), lo que confirma las posibilidades de aplicación de este tipo de tratamientos menos costosos y medioambientalmente más respetuosos. para completar este trabajo de investigación, se ha realizado un estudio económico preliminar del proceso foto-fenton con dosificación continua de peróxido de hidrógeno y adición de aire, seleccionado como óptimo para el tratamiento del agua procedente de centrales térmicas gicc, con el fin de valorar la viabilidad industrial del proceso. De esta manera, el coste del metro cúbico de agua tratada (83 % de mineralización) en estas condiciones es de 6,8 â,¬.
Datos académicos de la tesis doctoral «Tratamiento de aguas procedentes de una central térmica de ciclo combinado mediante procesos de oxidación avanzada«
- Título de la tesis: Tratamiento de aguas procedentes de una central térmica de ciclo combinado mediante procesos de oxidación avanzada
- Autor: Israel San Martin Alba
- Universidad: Castilla-la mancha
- Fecha de lectura de la tesis: 10/09/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- José María Monteagudo Martínez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: paula Sánchez paredes
- María pilar Coca llanos (vocal)
- María José López muñoz (vocal)
- alicia Carrero fernandez (vocal)