Tratamiento_de_Aguas_Residuales

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enero 02
Los procesos de oxidación
avanzada (POA) han sido utiliza-
dos con éxito en la degradación de
compuestos tóxicos presentes en el
agua, debido a que ellos son capa-
ces de mineralizar completamente
(CO2 y agua) la materia orgánica y
tóxicos presentes [2]. Uno de los
procesos POA más utilizado es la
fotocatálisis y como fotocataliza-
dores se han empleado óxidos se-
miconductores tales como: TiO2,
ZnO, Fe2O3, ZnS y CdS [3,4],
siendo el TiO2 el más estudiado. El
TiO2 puede existir en diferentes fa-
ses cristalinas como anatasa, rutilo
y brokita, siendo la primera de
ellas la que ha presentado mejores
cualidades en este tipo de reacción.
Se ha encontrado que el comporta-
miento catalítico del TiO2, y, en
general, de los óxidos semiconduc-
tores depende fuertemente de las
características físico-químicas de
estos sólidos; por lo tanto, cambios
en la cristalinidad, superficie espe-
cífica, porosidad y tamaño de par-
tícula pueden afectar significativa-
mente la actividad de ellos.
De los procesos de oxidación
avanzados (POA), dos tecnologías
foto-oxidativas son prometedoras
en el tratamiento de aguas residua-
les: la fotocatálisis heterogénea
mediada por semiconductores y la
fotooxidación mediada por com-
plejos férricos. Las dos tecnologías
se han venido estudiando con mu-
cho interés en diversas países del
mundo para formar parte de las al-
ternativas de tratamiento de aguas
residuales, aunque, en lo que res-
pecta a la fotocatálisis mediada por
semiconductores, también se ha in-
vestigado la degradación de conta-
minantes en fase gaseosa. Las in-
La necesidad de preservar el me-
dio ambiente ha llevado a la búsque-
da de métodos eficientes para elimi-
nar compuestos químicos contami-
nantes generados por diferentes acti-
vidades del hombre. La contamina-
ción del agua reviste gran importan-
cia, debido a que los contaminantes
pueden acumularse y ser transporta-
dos en arroyos, ríos, lagos, presas y
depósitos subterráneos, afectando la
vida silvestre y la salud del hombre.
Las fuentes más importantes de con-
taminación de aguas superficiales y
subterráneas son las aguas residuales
municipales e industriales [1].
Los avances en investigaciones
acerca del efecto de ciertos contami-
nantes, normas ambientales más es-
trictas, y factores económicos, han
generado nuevas tecnologías. Algu-
nas de ellas buscan recuperar ciertos
materiales reutilizables que antes se
desechaban, mientras que otras es-
tán encaminadas a eliminar conta-
minantes orgánicos tóxicos y persis-
tentes, o simplemente reducen su
concentración hasta niveles permiti-
dos. Con el uso de nuevos sistemas
de tratamiento, en algunas industrias
se han dejado prácticas como alma-
cenamiento de desechos y el confi-
namiento, que desde el punto de vis-
ta de preservación del medio am-
biente y protección de la salud hu-
mana no son de ninguna manera re-
comendables. Los métodos más de-
seables para tratar efluentes acuosos
son aquellos capaces de eliminar los
compuestos contaminantes residua-
les o transformarlos en materiales
inocuos al hombre y a la naturaleza
a un bajo coste. [1]
1. Int roducc ión
Fotodegradación 
de fenoles en aguas 
residuales indust ria les
G. Jaramillo y J. A. Pabón
Estudiantes del último año de Ingeniería de Procesos
y E. Gil Pavas
Profesor del Dpto. de Ingeniería de Procesos, M.Sc.
Universidad EAFITT. Medellín (Colombia)
La idea básica del estudio es
presentar la fotocatálisis como
una tecnología simple,
económica, eficaz e innovadora,
para el tratamiento de aguas
fenoladas encontradas en los
efluentes de varios procesos
industriales, determinando las
condiciones óptimas de
operación e identificando los
parámetros que rigen el proceso.
El atractivo de esta tecnología
radica en su rentabilidad, fácil
implementación y uso, y la
inversión requerida de capital es
mínima, en comparación con
otras tecnologías. La radiación
UV proveniente del sol o de
fuentes artificiales (lámparas
UV) se usa para activar el
catalizador (TiO2) y con él,
destruir muchos de los
contaminantes orgánicos
presentes en efluentes líquidos.
El proceso se lleva a cabo en
forma continua, utilizando como
variables el pH, la concentración
de TiO2 y el tiempo de
recirculación, y como variable de
respuesta, la concentración final
de fenol. Con estas variables, se
realizó un diseño de
experimentos tipo Box-Behnken,
el cual se optimizó
posteriormente empleando un
programa estadístico. Los
resultados mostraron la
posibilidad de reducir en un 96%
la concentración inicial de fenol.
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 Ingeniería Química
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Zona eléctrica (Fig. 2):
Está conformado por seis lám-
paras UV con una longitud de onda
inferior a 300 nm, conectadas en
paralelo, las cuales son responsa-
bles de entregar la energía necesa-
ria para que la reacción fotooxidati-
va se lleve a cabo. Las lámparas se
encuentran ubicadas en la cubierta
del fotorreactor y están dispuestas
en dos filas paralelas compuestas
por tres lámparas cada una.
Zona de reacción (Fig.3):
Fabricada en un tubo de vidrio
pyres de 8 mm de diámetro inte-
rior, una longitud equivalente de
1.78 m y un volumen de 90 ml. Es-
tá ubicada a una altura de 9 cm de
la base del fotorreactor.
Carcasa (Fig. 4):
Su geometría corresponde a un
paralelepípedo rectángulo de 75
cm de largo, 40 cm de ancho y 22
cm de alto.
En la Tabla I, se recoge el in-
ventario de materiales utilizados
en la construcción del fotorreactor
y en la figura 5, su representación
tridimensional.
2.3. Determinac ión de la 
concentrac ión fina l de fenol 
–––––––––––––––––––––––––––––––
Las normas seguidas para la im-
plementación del método fueron las
del "Standards Methods 5530-D"
[8], Método fotométrico directo.
El método colorimétrico de la 4-
aminoantipirina determina fenoles
orto y meta sustituidos y bajo con-
diciones apropiadas de pH, y per-
mite determinar fenoles p- sustitui-
vestigaciones se han enfocado bá-
sicamente en los siguientes estu-
dios: cinética, degradación de va-
rios tipos de contaminantes, efec-
tos de varios parámetros como
temperatura, pH, características
del catalizador y presencia de otros
iones, naturaleza y estabilidad de
los intermedios, identificación de
productos finales, eficiencia del
uso de fuentes artificiales de luz
ultravioleta, eficiencia en el uso de
luz solar y forma de cómo fijar efi-
cientemente el catalizador, entre
otros [5, 6]. En el presente estudio
se trabaja con la fotocatálisis hete-
rogénea mediada por semiconduc-
tores, específicamente con TiO2,
para fotodegradar fenoles.
El catalizador empleado en el
presente estudio fue TiO2 Degussa
P25 en forma anatasa, 99%, y en
forma rutilo, 1%. El TiO2 se utilizó
en forma acuosa en suspensión en
un reactor tubular, el cual se diseñó
de acuerdo con especificaciones y
recomendaciones existentes en la
literatura [6].
2. Materia les 
y métodos
2.1. Estudio a escala 
de laboratorio
–––––––––––––––––––––––––––––––
Con base en el análisis de la in-
formación bibliográfica recopilada,
se realizó a escala de laboratorio un
estudio piloto, con el objetivo de
eliminar fenoles en fase acuosa. Pa-
ra esto se planteó un diseño experi-
mental siguiendo el modelo de box
– Beckhen (modelo de superficie
de respuesta) [7], con las siguientes
variables: pH, tiempo de recircula-
ción y concentración del cataliza-
dor (g/L de solución), las cuales, de
acuerdo con la literatura, afectan la
eficiencia del proceso. El montaje
realizado en el laboratorio es tal co-
mo se ilustra en la figura 1.
2.2. Diseño del fotorreactor
–––––––––––––––––––––––––––––––
En el planteamiento y conceptua-
lización del fotorreactor, se tuvieron
en cuenta consideraciones experi-
mentales citadas en la literatura [6]. 
Descripción del diseño
Fotorreactor tubular, el cual
consta de tres secciones: 
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Figura 1. 
M ontaje del 
fotorreactor
Figura 2. Zona eléctrica del fotorreactor
Figura 3. Zona de reacción del fotorreactor 
puesta de interés está influenciada
por diferentes variables y el objeti-vo es optimizar dicha respuesta. Su
ventaja principal, comparado con
otros modelos que relacionen una
variable a tres niveles, es que entre-
ga el número mínimo de ensayos
experimentales (15 experimentos),
lo que lo hace un diseño económi-
co desde el punto de vista de reac-
tivos, para cuantificación de mues-
tras, pago de chequeos externos,
energía, entre otros.
2.4.1. Resumen del diseño
Consideraciones 
- La concentración inicial del
contaminante (fenol) se fijó en 20
ppm.
- El TiO2 se trabajó partiendo
de 0.2 g/L a 1 g/L.
- El volumen procesado en el re-
actor se fijó en 500 mL.
- Se trabajó a un flujo constante
de 2.09 L / min., usando una bom-
ba peristáltica Heidolf - PD 5006. 
Factores del diseño 
y variable de respuesta
La definición de los niveles de
cada factor se basaron en la biblio-
grafía [9,10] y se indican en la Ta-
bla II.
Los resultados de los ensayos a
escala de laboratorio se presentan
en la Tabla III.
3.1. Análisis estadíst ico de l 
diseño de los experimentos
–––––––––––––––––––––––––––––––
El análisis se hizo empleando
software estadísticos: "StatGrap-
hics", versión 4.0 [11] y "Statistica
for Windows", versión 5.0 [12]. A
partir de ellos se obtuvieron las ta-
blas ANOVA (Tabla IV), el gráfico
de superficie de respuesta, el dia-
grama de Pareto de los efectos y el
valor óptimo de los efectos, que
minimicen el valor de la concen-
tración final de fenol.
Los valores de la prueba F re-
saltados con color rojo son aque-
3. Resultados 
y discusión
dos en los cuales el sustituyente
puede ser un grupo carboxil, haló-
geno, metoxil o ácido sulfónico.
No se pueden determinar fenoles
p-sustituidos donde el grupo sea un
grupo alquil, aril, nitro, benzoil, o
aldehído.[8].
Debido a que las cantidades re-
lativas de diversos compuestos fe-
nólicos son impredecibles, no es
posible contar con un estándar uni-
versal que contenga una mezcla de
fenoles. Por esta razón, el fenol se
ha seleccionado como el estándar
para los métodos colorimétricos y
cualquier color producido por la
reacción de otros compuestos fe-
nólicos se reporta como fenol.
2.4. Diseño de 
los experimentos
–––––––––––––––––––––––––––––––
El modelo seleccionado para de-
terminar las relaciones estadísticas
de los factores: pH, concentración
de TiO2 (gr./L) y tiempo de recircu-
lación sobre la concentración final
de fenol en la solución, fue el mo-
delo de Box Behnken, el cual es un
método de superficie de respuesta
[7], muy útil para el modelado y
análisis de los resultados obtenidos
en aplicaciones, en donde la res-
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Aguas Residuales
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Sección Componentes Unidades
Lámparas UV 6
Balastro 4W 6
Zona eléctrica Socket 6
Porta Start–FS2 6
Start FS2 6
Cable de cobre calibre 18 2 m
Cajón en Tablex 1
Carcasa Barniz mate 1/16
Tornillería y otros -------
Zona de reacción Tubo de vidrio/Cristal 10 1
Tabla I. Inventario de materiales
Figura 4. 
Carcasa del 
fotorreactor 
Figura 5. 
Representación
tridimensional
del fotorreactor
- Interacción de la concentra-
ción de catalizador con el tiempo
de recirculación.
A continuación, se presenta el
diagrama de Pareto de los efectos
(Fig.6), junto a un diagrama de su-
perficie de respuesta (Fig.7). 
Las barras que superan la línea
punteada de color rojo en el dia-
grama de Pareto indican los facto-
res e interacciones que afectan sig-
nificativamente a la variable de-
pendiente.
Las regiones en el diagrama de
superficie de respuesta representan
diferentes concentraciones finales
de fenol (variable dependiente), a
un pH de 6.5 (valor óptimo entre-
gado por "StatGraphics") [11,12].
Las zonas en color verde son las de
mejores resultados. En la barra de
colores ubicada al lado izquierdo
del gráfico, se observa que cada
color representa el valor que se
tendrá de la concentración final de
fenol.
De acuerdo al análisis estadísti-
co, los valores óptimos de los fac-
tores que permitan minimizar el va-
lor de la variable dependiente (CF:
concentración final de fenol), son:
- pH = 6.5
- Tiempo de recirculación = 15
minutos
- Concentración del TiO2 = 1g/L
Con estos valores, la concentra-
ción final de fenol será: 0.7595
llos menos significativos, es decir,
inferiores al F crítico de la prueba,
el cual es F0.05,1,2 = 18.51. Elimi-
nando estos factores de la tabla
ANOVA para ajustar el resultado
del modelo, se obtiene la Tabla V.
- R2 = 87,6%
La tabla ANOVA divide la va-
riabilidad de la concentración final
de fenol en partes separadas para
cada uno de los efectos. Luego
prueba la incidencia estadística de
cada efecto comparando la media
cuadrada contra la estimación del
error experimental. En este caso, el
efecto concentración de TiO2 tiene
un valor P inferior a 0.05, indican-
do que el efecto que tiene sobre la
variable dependiente tiene un 95%
de fiabilidad [7].
El valor de R2 indica que el mo-
delo utilizado explica en un 87.6%
la variabilidad de la concentración
de fenol (variable dependiente).
De acuerdo a lo anterior, los fac-
tores más significativos en orden
decreciente de importancia son:
- Concentración de catalizador
(TiO2).
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Nivel
Factor Unidades
-1 0 1
pH. ------ 4 6.5 9
Cantidad de TiO2 g 0,03 0,09 0,15
Tiempo de recirculación min. 15 30 45
Variable de respuesta (Concentración final de Fenol) mg/L
Tabla II. Factores y variable de respuesta 
del diseño de experimentos
Suma de Grados M edia de los
Factor cuadrados de libertad cuadrados Pr ueba F Valor-P
pH (A) 3,15256 1 3,15256 20,11 0,0463
TiO2 (B) 7,42473 1 7,42473 47,37 0,0205
Tiempo (C) 3,85448 1 3,85448 24,59 0,0383
AA 0,113724 1 0,113724 0,73 0,4841
AB 4,25803 1 4,25803 27,16 0,0349
AC 2,16237 1 2,16237 13,79 0,0655
BB 6,62249 1 6,62249 42,25 0,0229
BC 6,86964 1 6,86964 43,83 0,0221
CC 4,37276 1 4,37276 27,9 0,034
Lack of fit 5,06901 3 1,68967 10,78 0,0861
Error 0,313502 2 0,156751
Total 43,3322 14
Tabla IV. Tabla ANOVA
TiO 2 Tiempo C F 1 -
Número pH 0 (g) (min) Absorbancia pHF Fenol (mg/L) (CF /C0)
1 6,5 0,15 15 0,119 6,93 1,087 95%
2 4 0,09 15 0,283 7,25 2,584 87%
3 6,5 0,09 30 0,712 6,95 6,502 67%
4 9 0,09 15 0,516 7,25 4,712 76%
5 9 0,03 30 0,569 7,25 5,196 74%
6 9 0,09 45 0,645 7,41 5,890 71%
7 6,5 0,09 30 0,633 7,14 5,781 71%
8 4 0,09 45 0,734 5,87 6,703 66%
9 4 0,15 30 0,239 5,52 2,183 89%
10 6,5 0,03 15 0,701 7,18 6,402 68%
11 6,5 0,03 45 0,428 7,26 3,909 80%
12 6,5 0,15 45 0,42 7,3 3,836 81%
13 4 0,03 30 0,592 6,39 5,406 73%
14 9 0,15 30 0,668 7,37 6,100 69%
15 6,5 0,09 30 0,704 6,87 6,425 68%
Tabla III. Resultado de los ensayos experimentales
La ecuación obtenida a partir de
la figura 7, la cual representa el
comportamiento de la concentra-
ción final de fenol (Z), variando
los valores de la concentración de
catalizador (Y) y el tiempo de re-
circulación (X), y fijando el pH en
el valor óptimo 6.5; es:
Z = 5,226-38,161*Y -368,264 * Y2 +
+ 0,202 * X - 0,0048* X2 +
+ 6,878*6,5*Y +1,4561 * Y * X -
- 2,3917
• Los ensayos experimentales
llevados a cabo permiten demos-
trar que es posible alcanzar un alto
grado de mineralización del fenol
en medio acuoso, dando como re-
sultado una aplicación potencial de
los procesos de degradación foto-
catalítica mediante dióxido de
TiO2 a escala industrial.
• Los resultados experimentales
concuerdan efectivamente con los
citados por la literatura [13]. La
técnica de fotocatálisis destruye
los contaminantes presentes en
efluentes acuosos, lo que la dife-
rencia de las otras tecnologías con-
vencionales (filtración, sedimenta-
ción, incineración, etc), en las cua-
les el contaminante no es destrui-
do, sino que es transferido de una
fase a otra.
• Experimentalmente, se encon-
tró que los parámetros principales
que afectan la eficiencia del proce-
so son: tiempo de recirculación
(minutos) y concentración de cata-
lizador (g/L).
• Como resultado del análisis
estadístico realizado por elmodelo
de superficie de respuesta [12], se
encontraron que las condiciones
óptimas para fotodegradar el fenol
son: pH 6.5, tiempo de recircula-
ción 15 minutos y concentración
de TiO2 1g/L, obteniendo una con-
centración final de fenol de 0.7595
ppm. (Fig. 7).
• Con base en los resultados ob-
tenidos, es posible concluir que la
tecnología de detoxificación solar
puede proporcionar a la industria
una poderosa herramienta para
4. Conclusiones
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Suma de Grados M edia de los
Factor cuadrados de libertad cuadrados Pr ueba F Valor-P
pH (A) 3,15256 1 3,15256 2,88 0,1334
TiO2 (B) 7,42473 1 7,42473 6,79 0,0352
Tiempo (C) 3,85448 1 3,85448 3,52 0,1026
AB 4,25803 1 4,25803 3,89 0,0891
BB 6,52828 1 6,52828 5,97 0,0446
BC 6,86964 1 6,86964 6,28 0,0406
CC 4,29033 1 4,29033 3,92 0,0882
Error 7,65861 7 1,97475
Total 43,3322 14
Tabla V. Opt imización de la tabla ANOVA
Figura 6. 
Diagrama 
de Pareto
Figura 7. 
Diagrama de
superficie de
respuesta
[1] Herrmann, J. M., Guillard, C. y Pichat, P. "Cataly-
sis Today". 17, 7-20 (1993).
[2] Glaze, W. H., Kang, J. H. y Chapin, D. H. "Ozone
Science And Technology". 9(4), 335 (1987).
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[4] Hidaka, H., Nohara, K. y Zhad, J. "J.Photochem.
Photobiol A: Chem.". 64.. 247 (1992).
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2000: oporto). Actas. (2000).
[10] Jiménez, J. Curco, D. Queral, M.A. Photoca-
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[11]Statgraphics Plus for Windows 4.0 [CD – ROM].
[United States]: Statistical Graphics Corp, 1994
–1999. ID number : 465004111.
[12] StatSoft, Inc. Statistica for Windows [Computer
program manual]. Tulsa, OK: StatSoft, Inc., 2325 East
13th Street, Tulsa, OK 74104, (918) 583-4149, fax:
(918) 583-4376. (1995).
[13]Blanco, J. y Malato, S. Solar detoxification. [Artícu-
lo de Internet]. http://www.unesco.org/science/wsp/
publications/SDch910.pdf. [Consulta 4 de Abril 2001].
5. Bibliografía
destruir desechos perjudiciales pa-
ra el ambiente, haciendo uso de
una fuente de energía limpia como
es la energía solar. La detoxifica-
ción solar es una tecnología útil
por enfocarla en el tratamiento de
contaminantes no-biodegradables,
los cuales no pueden ser tratados
fácilmente usando tecnologías
convencionales a concentraciones
de varios cientos de ppm. [13].
• Experimentalmente, se hizo
evidente el "efecto de pantalla". En
el primer diseño de experimentos
realizado, se trabajó con concen-
traciones de TiO2 de 2g/L a 10g/L
y los demás parámetros permane-
cieron igual que en el segundo di-
seño. Al final del proceso, la con-
centración de fenol disminuyó so-
lamente en un 6,67%, como valor
máximo, por tal motivo hubo que
replantear el diseño de experimen-
tos modificando los niveles de la
concentración de TiO2. Para evitar
la aparición del "efecto de panta-
lla", se debe considerar la densidad
de la solución TiO2/agua, el diáme-
tro del reactor y, por supuesto, la
concentración usada de TiO2. La
velocidad de reacción aumenta a
medida que la concentración del
catalizador aumenta; esto ocurre
hasta un límite, en el cual se reco-
mienda determinar por medios ex-
perimentales. [13].
• En la determinación de los fe-
noles por el método empleado, la
4-aminoantipirina más el ferricia-
nuro de potasio, generan un cam-
bio en el color de la reacción,ade-
más de causar el enturbiamiento de
la misma. El TiO2 remanente en
las muestras, luego de centrifugar-
las, al entrar en contacto con el fe-
rricianuro genera la aparición de
flocsde color blanco que aumentan
la turbidez, afectando la medida de
absorbancia y, por consiguiente,
provocando la aparición de un
error experimental en el cálculo de
la concentración final real de cada
muestra.
• Se recomienda disponer de
medios adecuados que garanticen
el retiro, si es posible, del 100%
del catalizador de las muestras an-
tes de realizar la medición de ab-
sorbancia.
• De acuerdo con lo planteado
en la bibliografía, se recomienda
combinar un proceso fotocatalítico
con un proceso de tratamiento bio-
lógico, para disminuir los costes de
operación.
• Con respecto al diseño del fo-
torreactor, la recomendación prin-
cipal sería proporcionarle un ma-
yor diámetro interno. Esto aumen-
tara el paso óptico, reduciría el
"efecto pantalla" y permitiría al-
canzar regímenes de flujo turbu-
lento.
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