01
Jun
Procesos de oxidación avanzados: con tantas opciones, ¿cómo podemos medir la eficiencia?
Procesos de oxidación avanzados
Los procesos de oxidación avanzados (AOP) que presentan especies oxidantes altamente reactivas, por ejemplo, radicales hidroxilos, pueden degradar una serie de contaminantes orgánicos recalcitrantes que no se eliminan bien con los procesos convencionales de tratamiento de agua y aguas residuales, por ejemplo, productos de cuidado personal, productos farmacéuticos y pesticidas. Los aspectos de oxidación avanzada de dichos sistemas van más allá de los métodos tradicionales de oxidación / desinfección, por lo general utilizando insumos adicionales de productos químicos (como H₂O₂ o catalizadores) y / o energía (como UV o electrólisis) para acelerar las reacciones. Los AOP a gran escala se instalan con mayor frecuencia en instalaciones de reutilización de agua, así como en algunas operaciones de agua potable. [1] Como se muestra en la Figura 1, UV / H₂O₂ es uno de los AOP más utilizados en las instalaciones de reutilización potable a gran escala (del mismo modo, las combinaciones variables de UV, H₂O₂ y / o O₃ se adoptan más ampliamente para el tratamiento de agua municipal o industrial a gran escala [2]). Para el tratamiento 24/7/365 enfocado en contaminantes orgánicos y desinfección, los costos totales del ciclo de vida de UV / H₂O₂ son aproximadamente $ 1.00 - $ 5.00 / 1,000 galones tratados. [3] Para una operación más selectiva, por ejemplo, desinfección más control de sabor y olor estacional, los costos totales del ciclo de vida caen a aproximadamente $ 0.30 - $ 2.50 / 1,000 galones tratados. [3]
Los AOP también pueden funcionar como sistemas descentralizados más pequeños, por ejemplo, sistemas de tratamiento POE o POU, así como operaciones portátiles de reutilización de aguas grises.
[5] Mientras que los sistemas centralizados probablemente seguirán dependiendo de POA bien establecidos, los POA basados en electricidad pueden tener un gran potencial para uso descentralizado, ya que evitan el suministro y el transporte de productos químicos. [6] Los costos operativos para los sistemas de tratamiento de POU muy avanzados pueden ser del orden de $ 100 / $ 1,000 galones tratados (aunque los POU ofrecen costos de capital inicial más bajos en comparación con las instalaciones centralizadas). [7]
Más allá de UV / H₂O₂, una serie de otros AOP han mostrado potencial en configuraciones de laboratorio, piloto y a escala completa (consulte el Cuadro 1 para ver ejemplos de AOP; tenga en cuenta que el O₂ solo se considera un oxidante convencional, pero también genera radicales hidroxilos a medida que se descompone, lo que lleva a algunos a clasificarlo como un proceso AOP o similar a AOP). Muchos AOP han demostrado un tratamiento eficaz, pero estos procesos no son igualmente capaces de eliminar todos los compuestos, ni son igualmente eficientes con respecto a los insumos de energía y / o químicos. [8] A pesar de muchos años de desarrollo y pruebas de AOP a escala de laboratorio, las operaciones piloto y a gran escala siguen siendo bastante escasas. Sin embargo, se necesitan estudios a estas escalas para superar las dificultades en las evaluaciones comparativas debido a las diferencias físicas y químicas en los POA [9] y para establecer medios más directos de comparar las eficiencias de los POA.
El mecanismo de generación de oxidantes y las vías de degradación de los contaminantes varían drásticamente entre los diferentes AOP. La eficiencia de la reacción se puede cuantificar usando la cinética de la velocidad de reacción, que se modela como cero, primer o segundo orden dependiendo del compuesto objetivo y el emparejamiento del oxidante. Comprender la cinética de la reacción, al menos el orden de la misma, es clave para comprender los procesos de tratamiento avanzados. [11] Se encuentran disponibles amplias bases de datos de tasas de reacción oxidante con microcontaminantes orgánicos. [6] La degradación orgánica utilizando AOP a menudo se puede modelar fenomenológicamente utilizando cinéticas de pseudo primer orden. La Tabla 1 muestra varios ejemplos de constantes de velocidad de primer orden para la degradación de carbamazepina (un producto farmacéutico), naranja de metilo (un colorante común) y nitrobenceno (un químico industrial) usando una variedad de AOP.
En particular, las constantes de velocidad cinética caracterizan la eficiencia de la reacción, pero no abarcan otros aspectos de la eficiencia de AOP, por ejemplo, los costos para operar un sistema. Para ayudar a abordar este problema, Bolton et al . (2001) [12] desarrolló la figura de mérito Energía Eléctrica por Orden (EEO; Ecuación 1). Esta métrica se define como la energía eléctrica normalizada al volumen del reactor requerido para disminuir la concentración de un contaminante objetivo en un orden de magnitud. El consumo de energía eléctrica a menudo representa una fracción importante de los costos operativos de AOP y los valores de EEO <1 kW / m³ / pedido a menudo se consideran más viables para el funcionamiento a gran escala. [1,13]
donde: EEO es la energía eléctrica por pedido (kW / m³ / pedido), P es la potencia del sistema (kW), V es el volumen de agua tratada (L) en el tiempo t (hr), C₀ es la concentración inicial de contaminantes (EEO es válido para concentraciones iniciales bajas, típicamente <100 mg / L1) y C es la concentración final.
Tabla 1. Comparación de AOP evaluada usando constantes de velocidad cinética y valores de energía eléctrica por orden (EEO). Los datos provienen de la comparación directa del proceso realizada por Ambrogi et al. (2019) [10] (con valores de EEO estimados a partir de gráficos). La mayor eficiencia del proceso se indica mediante constantes de velocidad más altas y valores de EEO más bajos (verde en la escala de colores).
Las diferencias en las interpretaciones de la eficiencia de AOP usando constantes de velocidad versus EEO son evidentes, como lo ilustra la escala de colores en la Tabla 1. Por ejemplo, mientras que los AOP basados en O³ se caracterizaron por una cinética rápida, las entradas de energía para generar O³ condujeron a valores de EEO más altos, particularmente en el caso del naranja de metilo y el nitrobenceno. [10]
Miklos y col.(2018) [1] realizó una revisión cuidadosamente seleccionada de los AOP EEO, como se resume en la Figura 2. A pesar de la alta variabilidad, los EEO sugieren que los AOP basados en ozono y UV son los más fácilmente aplicables para la implementación a gran escala dado que su mediana las eficiencias energéticas están dentro del ámbito realista de EEO <1 kWh / m³ / orden. Dentro de este grupo de tecnologías, no hubo diferencia estadística entre las eficiencias energéticas, con variaciones observadas probablemente derivadas de condiciones experimentales. Sin embargo, en las pruebas de comparación directa, se informó que los AOP basados en ozono eran más eficientes desde el punto de vista energético para la producción de radicales hidroxilo9 y la degradación de microcontaminantes orgánicos [14] en comparación con los UV / H₂O₂ (EEO para los cuales generalmente son entre 4 y 20 veces más altos que para O₃ / H₂O₂⁶).
Es menos probable que se utilicen tecnologías con una mediana de EEO> 1 kWh / m³ / pedido (Figura 2) en instalaciones típicas a gran escala a corto plazo, ya que las configuraciones actuales probablemente consumen demasiada energía. Estas tecnologías, sin embargo, merecen una mayor investigación dirigida al ahorro de energía. En particular, los POA con valores medios de EEO entre 1 y 100 kWh / m3 / pedido aún pueden proporcionar soluciones atractivas para desafíos específicos.
Un enfoque para mejorar la eficiencia energética es el uso de fuentes de energía renovables para alimentar los AOP. [15] Por ejemplo, la Organización Mundial de la Salud no recomendó el ozono para el tratamiento de los POU debido a la necesidad de una fuente confiable de electricidad para la generación de ozono, la complejidad del sistema para una operación y dosificación adecuadas y su costo relativamente alto [16]. Sin embargo, las fuentes alternativas de energía pueden aliviar algunos de estos desafíos. Por ejemplo, los AOP impulsados por energía solar pueden reducir el uso de energía y permitir el despliegue de AOP en aplicaciones de bajos ingresos o fuera de la red, es decir, áreas rurales o en desarrollo, sistemas transitorios (p. Ej., Respuesta de emergencia, operaciones militares), etc. [17,18]
La alta variabilidad en EEO reportada en la literatura hasta la fecha, particularmente para pruebas no optimizadas a escala de laboratorio, ilustra una fuerte dependencia de la configuración del sistema, la capacidad del proceso, los parámetros independientes de la energía como las dosis químicas y la matriz de agua. [1,10] Por lo tanto, la métrica EEO es más relevante para los AOP que se han optimizado en términos de demanda de oxidante, geometría del reactor y otros parámetros específicos del proceso. [1] En la mayoría de los casos, los datos de EEO a escala completa serán más bajos que los resultados de EEO de laboratorio o de escala piloto. [1,3] Otra advertencia es que, si bien la EEO tiene en cuenta los costos de energía, no tiene en cuenta los costos de los productos químicos, que son esenciales para considerar para cualquier aplicación del mundo real. [10] Algunos investigadores han tenido en cuenta estos costos incorporando los costos estimados de la producción de H₂O₂ en las evaluaciones de EEO [9], pero esto no se ha hecho de manera universal. Una consideración adicional del mundo real es el impacto de la calidad del agua; No se recomiendan las comparaciones de EEO entre experimentos realizados en diferentes matrices de agua. [1] En consecuencia, las comparaciones de AOP experimentales directas utilizando condiciones equivalentes (por ejemplo, matriz de agua) son las más deseables, ya que proporcionan los datos necesarios para ampliar y evaluar la economía y la sostenibilidad de AOP frente a tecnologías convencionales. [1] Aunque EEO no puede caracterizar completamente el desempeño de AOP, es una métrica poderosa que permite una comparación simple de la magnitud de la eficiencia energética en tecnologías de AOP ampliamente variables. matriz de agua) son los más deseables, ya que proporcionan los datos necesarios para ampliar y evaluar la economía y la sostenibilidad de AOP en comparación con las tecnologías convencionales. [1] Aunque EEO no puede caracterizar completamente el desempeño de AOP, es una métrica poderosa que permite una comparación simple de la magnitud de la eficiencia energética en tecnologías de AOP ampliamente variables. matriz de agua) son los más deseables, ya que proporcionan los datos necesarios para ampliar y evaluar la economía y la sostenibilidad de AOP en comparación con las tecnologías convencionales. [1] Aunque EEO no puede caracterizar completamente el desempeño de AOP, es una métrica poderosa que permite una comparación simple de la magnitud de la eficiencia energética en tecnologías de AOP ampliamente variables.
Referencias
1. Miklos DB, Remy C, Jekel M, Linden KG, Drewes JE, Hübner U. Evaluación de procesos avanzados de oxidación para el tratamiento de agua y aguas residuales - Una revisión crítica. Agua Res . 2018; 139: 118-131. doi: 10.1016 / j.watres.2018.03.042
2. Stefan MJ. Procesos avanzados de oxidación para el tratamiento del agua: fundamentos y aplicaciones. Publicaciones de IWA ; 2018.
3. Malley JP. Conceptos básicos del proceso de oxidación avanzada y aplicaciones emergentes en el tratamiento del agua. Noticias IUVA . 2008; 10 (2): 15-19.
http://iuvanews.com/stories/pdf/archives/100202Malley_article.pdf
4. Water360. Reutilización de agua para beber | en todo el mundo. Copyright 2015. https://legacy.water360.com.au/
5. Gassie LW, Englehardt JD. Mineralización de orgánicos de aguas grises por el proceso de oxidación avanzada ozono-UV: modelado cinético y eficiencia. Environ Sci Water Res Technol . 2019; 5 (11): 1956-1970. doi: 10.1039 / c9ew00653b
6. Von Gunten U. Procesos de oxidación en el tratamiento del agua: ¿vamos por buen camino? Environ Sci Technol. 2018; 52 (9): 5062-5075. doi: 10.1021 / acs.est.8b00586
7. Brame J, Li Q, Alvarez PJJ. Tratamiento y reutilización del agua gracias a la nanotecnología: nuevas oportunidades y desafíos para los países en desarrollo. Trends Food Sci Technol. 2011; 22 (11): 618-624. doi: 10.1016 / j.tifs.2011.01.004
8. Pisarenko AN, Stanford BD, Yan D, Gerrity D, Snyder SA. Efectos del ozono y el ozono / peróxido sobre trazas de contaminantes orgánicos y NDMA en aplicaciones de agua potable y reutilización de agua. Agua Res. 2012; 46 (2): 316-326. doi: 10.1016 / j.watres.2011.10.021
9. Rosenfeldt EJ, Linden KG, Canonica S, von Gunten U. Comparación de la eficiencia de la formación de radicales · OH durante la ozonización y los procesos de oxidación avanzados O3 / H2O2 y UV / H2O2. Agua Res . 2006; 40 (20): 3695-3704. doi: 10.1016 / j.watres.2006.09.008
10. Ambrogi EK, Asenath-Smith E, Ballard WA, Moores LC, Brame JA. Comparación cruzada de procesos de oxidación avanzados para la remediación de contaminantes orgánicos en sistemas de tratamiento de agua. Enero de 2019. ERDC TR-19-3 .https://hdl.handle.net/11681/32319
11. Bolton JR, Bircher KG, Tumas W, Tolman CA. Figuras de mérito para el desarrollo técnico y aplicación de procesos de oxidación avanzados. J Adv Oxid Technol. 1996; 1 (1): 13-17. doi: 10.1515 / jaots-1996-0104
12. Bolton JR, Bircher KG, Tumas W, Tolman CA. Cifras de mérito para el desarrollo técnico y la aplicación de tecnologías avanzadas de oxidación para sistemas tanto eléctricos como solares (Informe técnico IUPAC). Pure Appl Chem . 2001; 73 (4): 627-637. doi: 10.1351 / pac200173040627
13. Ciudad de Oxnard California. Instalación avanzada de purificación de agua: Informe de ingeniería de reutilización indirecta de agua. V.1. ; 2017. Carollo.
14. Sgroi M, Snyder SA, Roccaro P. Comparación de POA a escala piloto: costos de energía para la oxidación de microcontaminantes, formación de subproductos de desinfección e inactivación de patógenos. Chemosphere. 2021; 273: 128527. doi: 10.1016 / j.chemosphere.2020.128527
15. Dewil R, Mantzavinos D, Poulios I, Rodrigo MA. Nuevas perspectivas para procesos de oxidación avanzados. J Environ Manage. 2017; 195: 93-99. doi: 10.1016 / j.jenvman.2017.04.010
16. OMS. Directrices para la calidad del agua potable: cuarta edición que incorpora el primer apéndice . 4ª ed. OMS; 2017. https://www.who.int/water_sanitation_ health / publications / drinking-water-quality-Guidelines-4-included -1st-addendum/en/
17. Dorevitch S, Anderson K, Shrestha A, et al.Ozono generado por microplasma alimentado por energía solar: Evaluación de un nuevo método de tratamiento de agua potable en el punto de uso. Int J Environ Res Salud Pública. 2020; 17 (6): 1-13. doi: 10,3390 / ijerph17061858
18. Hendrickson C, Oremo J, Akello OO, et al. Ozonización descentralizada del agua potable con energía solar en el oeste de Kenia: una evaluación de la eficacia de la desinfección. Puertas Open Res . 2020; 4 (56): 1-19. doi: 10.12688 / gatesopenres.13138.2
19. Miklos D, Remy C, Jekel M, Linden KG, Drewes JE. SI-Database AOP. Datos de Mendeley . 2. doi: 10.17632 / n7h8kb4dfh.2
