desinfección con reactores solares - Plataforma Solar de Almería

DESINFECCIÓN N CON REACTORES
SOLARES: EXPERIENCIA OPERATIVA
Dr. Pilar Fernández Ibáñez
pilar.fernandez@psa.es
Plataforma Solar de Almería –CIEMAT
Ministerio de Educación y Ciencia
www.psa.es
1
Desinfección con Reactores Solares: Experiencia Operativa
SOLARSAFEWATER - Iguazú, 14-15 Octubre 2005

Índice
1. Introducción
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
6. Conclusiones
2
Desinfección con Reactores Solares: Experiencia Operativa
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1. Introducción
Potencial de
PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA
Especie
oxidación
Se basan en la generación de una ref. especie HgCl fuertemente
2
(V)
oxidante.
Flúor 2.23
Capaces de Radical destruir hidroxilocontaminantes 2.06 de elevada
estabilidad Oxígeno y gran atómico dificultad para 1.78 ser mineralizados
totalmente con procesos convencionales.
Peróxido de hidrógeno 1.31
Los más efectivos Radical producen peróxido radicales 1.25 hidroxilo ( • OH).
Permanganato 1.24
Se produce una serie de reacciones de degradación
Ácido hipobromoso 1.17
oxidativa hasta la completa mineralización de los
compuestos. Cloro dióxido 1.15
Ácido hipocloroso 1.10
Cloro 1.00
C n H m O z Cl y + Bromo xO 2
nCO0.80
2 + yHCl + wH 2 O
Iodo 0.54
3
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1. Introducción
PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA CON • OH
4
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1. Introducción
2200
FOTOCATÁLISIS SOLAR
Espectros terrestre y extraterrestre con el Sol a 48.2º de
ángulo cenital
Irradiancia Nomarl Directa (W/m 2 µm)
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Irradiancia Solar Extraterrestre
O 3 H 2 O
Irradiancia Solar Directa estándar
sobre la superficie terrestre (ASTM
O 3 O
H 2 O O/CO 2
2
E891-87, para Masa de Aire = 1,5)
H 2 O/CO 2
O 2
H 2 O
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8
Actividad TiO 2
λ

1. Introducción
PATÓGENOS DE TRANSMISIÓN HÍDRICA
VIRUS
• Poliovirus
• Hepatitis A
• Parvovirus
• Adenovirus
• Rotavirus
BACTERIAS
• Salmonella
• Shigella
• Campylobacter
• Vibrio
• Escherichia coli
PROTOZOOS
• Giardia lamblia
• Entamoeba histolytica
• Crystosporidium
HELMINTOS
• Taenia saginata
• Ascaris lumbricoides
• Schistosoma 6
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1. Introducción
TÉCNICAS DE DESINFECCIÓN
(Clasificación
EPA, 1999)
Retirada física del
microorganismo
Desactivación (muerte)
del microorganismo
Coagulación y sedimentación
Filtración
•Filtración rápida
•Filtración en medio granular
•Filtración con carbón activo
•Filtración con membrana
Uso muy extendido
Caros
No resuelven el problema
Cloración
Ozonización
Desinfección UV
Tecnologías en fase de estudio
•Fotocatálisis
•Electrofotocatálisis
•Fotosensibilización
•Solar water disinfection
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1. Introducción
DESINFECCIÓN SOLAR DE AGUA
La radiación solar por sí misma no tiene capacidad suficiente
de desinfección de agua.
300-500 nm Inhibición n de la reproducción
Mecanismos de foto-reparaci
reparación
Aplicación de la desinfección solar de agua (SODIS):
100000
- Pequeñas cantidades de agua.
- Aumento de temperatura por la radiación solar.
- Inhibición por la radiación solar.
Coliformes fecales [CFU/100mL]
10000
1000
100
10
1
Temperatura
del agua
Coliformes
fecales
0 20 40 60 80 100
60
50
40
T(ºC)
30
20
10
0
8
Dosis UV-A [J/m 2 ]
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1. Introducción
Índice
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
6. Conclusiones
9
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2. Desinfección con fotocatálisis
El primer trabajo de desinfección de agua mediante
fotocatálisis con TiO 2
fue publicado por Matsunaga en 1985.
Actualidad:
- Electrofotocatálisis y fotocatálisis con TiO 2
.
1,0
-TiO 2 soportado y suspensiones slurry (slurry).
- Lámparas 0,8
y radiación solar.
Ratio Viable Cell
0,6
0,4
0,2
0,0
Photocatalysis-P25
Without catalyst
C 0
=1000 CFU/mL
1mg/mL TiO 2
Lamp: 320-420 nm
0 10 20 30 40 50 60 70
Irradiation time, min
M. Bekbölet, Water Science & Technology 35, 95-100, 1997.
10
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2. Desinfección con fotocatálisis
FOTO-DESTRUCCIÓN DE MICROORGANISMOS CON TiO 2
BACTERIAS: Enterococcus faecalis (Gram+)
Eschericia coli (Gram-)
1 μm 1 μm
La tendencia actual en este campo se dirige
VIRUS Y BACTERIÓFAGOS:Poliovirus La tendencia actual en este 1, Pharge campo MS2 se dirige (RNA-bacteriófago)
hacia la foto-inactivación con TiO
hacia la foto-inactivación con TiO 2
de
CÉLULAS CANCERÍGENAS: Células HeLa (carcinoma 2
de
cervical), T24
bacterias más resistentes, de protozoos
bacterias más (cáncer resistentes, de vejiga), de protozoos U937 (leucemia).
HONGOS Y LEVADURAS:
patógenos como Giardia lambia y
patógenos como Giardia lambia y
Cryptosporidium o de algas resistentes.
Cryptosporidium o de algas resistentes.
Saccharomyces
Cerevisiae
Conidias de
Neurospora crassa
“Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment” IWA Publishing, 2004.
11
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Índice
1. Introducción
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
6. Conclusiones
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3. Mecanismos de desinfección
INACTIVACIÓN DE BACTERIAS MEDIANTE LUZ SOLAR
Acción indirecta
Acción directa
Absorción de la
radiación UV por
las moléculas de
DNA de los
microorganismos
UV solar
TiO 2
H 2
O • OH
El TiO 2
fotoactivado
ataca la membrana
celular.
Reducción por
fotooxidación de los
niveles de
Coenzima-A
(respiración) que
provoca la muerte
celular.
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3. Mecanismos de desinfección
O 2
-•
TiO 2
adsorbido
OH •
UV solar
OH •
h +
e - /h +
TiO
e -
2
O 2
-•
Partículas
de TiO 2
muy
pequeñas
MICROORGANISMO
TiO 2
en
suspensión
40 nm 300 nm >1μm
TiO 2
aglomerados-TiO 2
células
14
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3. Mecanismos de desinfección
IMÁGENES AFM DE CÉLULAS DE E. COLI SOBRE UN FILM DE TIO 2
Intensidad de la luz: 1.0 mW/cm 2
Sin iluminación
6 días de iluminación
Forma cilíndrica
Tamaños ∼1–2.5 μ m
Descomposición
celular completa.
K. Sunada et al. J. Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 6221 (2003) 1–7
15
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3. Mecanismos de desinfección
ILUSTRACIÓN DEL PROCESO DE FOTODESTRUCCIÓN SOBRE TIO 2
1) Destrucción parcial
de la membrana
externa: pérdida de
viabilidad parcial.
2) Las especies
reactivas llegan a la
membrana
citoplasmática.
3) Las especies
reactivas llegan a la
membrana lipídica:
muerte celular. 16
K. Sunada et al. J. Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 6221 (2003) 1–7
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Índice
1. Introducción
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
6. Conclusiones
17
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4. Metodología de trabajo
ELABORACIÓN N DE CULTIVOS
E. Coli
Incubación: 18-20 h.
Fase estacionaria
~ 10 9 CFU/mL
Densidad Óptica (600 nm)
4
37 ºC3
200 rpm
2
Medio LB (Peptona
de caseína
1
10 g/l,
extracto de levadura
5 g/l, 0NaCl 5 g/l)
pH = 7.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tiempo (h)
18
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4. Metodología de trabajo
PREPARACIÓN DE EXPERIMENTOS
1. Preparación del catalizador.
2. Tapar el colector solar.
3. Inoculación de cultivo &
recirculación.
4. Adición de TiO 2
dispersado
en un pequeño volumen de
agua esterilizada.
5. Descubrir el colector.
6. Comienza el experimento
con la toma de muestras.
7. Medida de la energía
radiante UV solar por
unidad de tiempo y
superficie (W UV·m -2 ) que
incide sobre el colector. 19
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4. Metodología de trabajo
MANIPULACIÓN N DE MUESTRAS
Trabajar en condiciones de
esterilidad (cabina de flujo
laminar, llama)
Número
más
probable
Conteo de
colonias
Utilizar un método de detección
y enumeración de indicadores 20
de microorganismos adecuado
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4. Metodología de trabajo
EVALUACIÓN DE CINÉTICAS DE DESINFECCIÓN
[ ]
Desinfección por irradiación = C exp − k It
C
t 0
El sol como fuente de fotones
Q
UV
,n
=
Q
UV
,n −1
+
(
t
n
−
t
n −1
)·UV
G ,n
·A
r
V
t
Cinéticas de procesos de fotocatálisis solar heterogénea
C
t
r = − dC
dQ
= C
0
exp − k'· QUV
Q
t UV
21
Malato, S. et al. Applied Catalysis B: Environ. 28, 163, 2000.
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Índice
1. Introducción
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
6. Conclusiones
22
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5. Experiencia con reactores solares
DISPOSICIÓN DEL CATALIZADOR
MEJORAR LA EFICIENCIA FOTOCATALÍTICA
Dopado con metales
Acoplamiento a otros semiconductores
Optimización del área superficial
Forma cristalográfica adecuada
RESOLVER LA SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN
Catalizador inmovilizado sobre matriz
Partículas de mayor tamaño
ABARATAR COSTES
Producción elevada (comercial)
23
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5. Experiencia con reactores solares
CATALIZADOR INMOVILIZADO SOBRE MATRIZ INERTE
TiO 2
sobre fibra, Ahlstrom©
No necesita separar el catalizador
Tecnología desarrollada Adsorbent
y comercializada
Binder - Método sol-gel
- Matrices TiO inertes: 2 TiO fibras TiO
orgánicas, 2
2
vidrio, cerámicas, etc.
- Formas empleadas: partículas, fibras, panales, etc.
- Muy común en Substrate detoxificación en fase gas
Ahlstrom patent
EP1069950 granted
AU 735798 granted
US 09/467650 pending
JP 2000-542104 pending
Menor eficiencia
Elevado coste
Desactivación
TiO 2
Reactor de escalera
24
Reactor CPC (soporte coaxial)
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5. Experiencia con reactores solares
Requisitos para un reactor solar de fotocatálisis solar
Resistencia química al medio acuoso sin alterarse por el
tipo de reactivo ni los distintos pHs.
Garantía de flujo con la mínima presión
homogeneidad posibles.
y máxima
Transmisión eficaz de la radiación UV que llega desde el
colector solar.
Resistencia a temperaturas ligeramente altas (40-50ºC).
Robusto y resistente a la intemperie.
Fácil limpieza por fuera y por dentro.
Operación y mantenimiento fácil (modular).
Económico y accesible.
25
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5. Experiencia con reactores solares
PLANTA PILOTO DE FOTOCATÁLISIS SOLAR
AGUA CONTAMINADA
PRE-TRATAMIENTO
Dosis de
radiación
O 2
/Aire
Catalizador
Aditivos
(pH, oxid.)
Campo de
colectores
solares
Muestreo
& Análisis
POST-TRATAMIENTO
AGUA 26
TRATADA
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5. Experiencia con reactores solares
‣Experiencias piloto:
FOTO-REACTOR SOLAR (tipo CPC)
- Radiación solar
-Colector solar
-Tanque
-Aire
- Sonda
-Bomba
-Aditivos
- Catalizador
175,5
cm
Tank
50 cm
P
F
100 cm
90,5
cm
Electric
Box
P: pump
F: Flowmeter
T: Termocouple
Proyecto SOLWATER, INCO Programme, European Commission 27
Módulo compacto de foto-reactor
(2002-2005)
30 cm
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5. Experiencia con reactores solares
FOTO-REACTOR SOLAR (CPC – catalizador fijo)
Glass tubes External diameter = 50 mm
Thickness = 1.8 mm
Length = 1500 mm
Irradiated length = 1280 mm
Material = Borosilicate (3.3 hard)
“PROTOTYPES 1&2”
Collector
Length (irr.) = 1280 mm
Aperture 1 = 160 mm /CPC
Irr. Area 1 = 0.21 m 2 /CPC
V irr.1 = 1.13 L / tube
Aperture 2 = 107 mm /CPC
Irr. Area 2 = 0.14 m 2 /CPC
V irr.1 = 1.97 L / tube
#1
28
#2
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5. Experiencia con reactores solares
SOPORTES PARA FOTOCATALIZADOR
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5. Experiencia con reactores solares
DESACTIVACIÓN CON RADIACIÓN SOLAR DE E. coli (CPC)
Concentration (CFU/mL)
Q (60min) = 0 kJ/L
Q (60min) = 0.8 kJ/L
10 3
Q (60min) = 2.2 kJ/L
10 4
10 2
10 1
0.125 m 2
0.25 m 2
0.50 m 2
UV
UV
UV
Q UV
(60min) = 3.3 kJ/L
Q UV
(60min) = 6.5 kJ/L
10 0
0 20 40 60 80 100 120 140
Time, min
30
A mayor área iluminada, mayor eficacia del proceso de inactivación.
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5. Experiencia con reactores solares
DESACTIVACIÓN CON TiO 2 DE E. coli EN UN REACTOR CPC
100000
C, CFU/mL
10000
1000
100
10
Sin catalizador
TiO 2
fijado (19,3 g/m 2 )
Reuso TiO 2
fijado
Suspensión TiO 2
(50 mg/L)
0 1 2 3 4 5
Q UV
, kJ/L
La inactivación
de E. coli es más
eficiente con
TiO 2
que sin
catalizador.
La suspensión
de TiO 2
actúa de
forma más
rápida y eficaz
que el TiO 2
fijado.
31
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5. Experiencia con reactores solares
DESACTIVACIÓN DE E. coli CON SUSPENSIONES DE TiO
TiO 2
-P25 slurry
2
C, CFU/mL
10 4 oscuridad
500 mg/L
200 mg/L
50 mg/L 25 mg/L
10 3
10 2
10 1
Existe una ligera
tendencia de
saturación del
proceso a
concentraciones
de TiO 2
superiores a
50mg/L.
0 1 2 3
Q UV
, kJ/L
32
Desinfección con Reactores Solares: Experiencia Operativa
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5. Experiencia con reactores solares
100
EFECTO DEL CAUDAL (I)
% Viability
80
60
40
20
0
2 L/min
5 L/min
10 L/min
Initial conc: 10 6 CFU/mL
0 20 40 60 80 100
Time, min
La viabilidad de
las bacterias en
oscuridad (sin
catalizador) en el
fotoreactor a
distintos caudales
muestra el efecto
del estrés
mecánico sobre la
bacteria E. Coli.
33
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5. Experiencia con reactores solares
EFECTO DEL CAUDAL (II)
10 8
Conc. E. Coli, CFU/mL
10 7
10 6
10 5
10 4
10 3
10 2
10 1
Initial conc: 10 7 CFU/mL
TiO 2
inmovilizado
10 L/min
5 L/min
2 L/min
De forma opuesta,
la desactivación
fotocatalítica tica solar
con TiO 2
inmovilizado es
más s efectiva al
caudal más m s bajo
evaluado.
0 1 2 3 4
Q UV
, kJ/L
34
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5. Experiencia con reactores solares
10 7
CONCENTRACIÓN INICIAL DE BACTERIA (I)
Viability, CFU/mL
10 6
10 5
10 4
10 3
10 2
10 1
C 0
=10 5 CFU/mL
10 6 CFU/mL En oscuridad
(10 L/min), la
viabilidad de las
suspensiones
de E. Coli
depende la
concentración
inicial de
bacterias.
10 4 CFU/mL
10 0
0 20 40 60 80 100
Time, min
35
Desinfección con Reactores Solares: Experiencia Operativa
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5. Experiencia con reactores solares
CONCENTRACIÓN INICIAL DE BACTERIA (II)
E. Coli, CFU/mL
10 8
10 7
10 6
10 5
10 4
10 3
10 2
10 1
C 0 = 5x10 5 C 0 =5x10 7
C 0 =5x10 6
0 1 2 3 4 5
Q UV
, kJ/L
La eficiencia
fotocatalítica
tica
con catalizador
inmovilizado es
proporcional a
la concentración
inicial de
baterias.
36
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6.
Índice
1. Introducción
2. Desinfección de aguas con
fotocatálisis heterogénea
3. Mecanismos de desinfección
4. Metodología de trabajo
5. Experiencia con reactores solares
Conclusiones
37
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6. Conclusiones
38
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Agradeci
decimientos
Comisión n Nacional de Energía a Atómica
EU Specific Support Action “SOLARSAFEWATER”
(INCO-CT
CT-2004-510603)
EU Project “SOLWATER” (ICA-CT
CT-2002-10001)
39
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