Uso de un proceso fotocatalítico para la degradación de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales provenientes de laboratorios clínicos

Abstract

La generación de residuos peligrosos representa una problemática significativa a nivel mundial debido al inadecuado manejo y disposición final de los mismos, en especial cuando se realiza incineración de residuos sólidos o líquidos con potencial de generación de dioxinas y furanos. De igual forma, cuando estos no son tratados en absoluto, suelen ser vertidos a fuentes de agua, afectando así la calidad y disponibilidad del recurso hídrico. Los procesos avanzados de oxidación se han usado ampliamente como mecanismos alternativos para la degradación de aquellos compuestos orgánicos complejos cuyo potencial de degradación por medios biológicos es limitada. La gran mayoría de investigaciones realizadas sobre el tema centran sus objetivos en minimizar el consumo energético del proceso y en incrementar el desempeño de la degradación de los procesos avanzados de oxidación, principalmente aquellos relacionados con procesos fotocatalíticos. La modificación de las características de los catalizadores usados en estos procesos, especialmente aquellos elaborados a partir de dióxido de titanio, se realiza con el fin de que estos sean activados fácilmente por la luz solar y permitan obtener porcentajes de degradación o decoloración muy elevados. Sin embargo, estas modificaciones requieren de elementos metálicos poco comunes o muy costosos que contrarrestan el ahorro energético y pueden llegar a ser inviables en su aplicación. Adicionalmente, su preparación requiere de procesos avanzados y altamente tecnificados, desestimulando así sus aplicaciones industriales a gran escala, por lo cual es deseable buscar alternativas más atractivas en cuanto disponibilidad del material y preparación y transformación del mismo. La ilmenita se constituye como un foto catalizador potencial debido a su elevado contenido de dióxido de titanio y óxido ferroso en estado natural (en ambos casos superiores al 40%), lo cual permite garantizar la presencia de estos elementos en el proceso de reacción sin la necesidad de realizar pasos preparativos previos, por lo cual la presente investigación se enfocó en evaluar los efectos del uso de ilmenita sobre el proceso de decoloración de un agua residual real. Teniendo en cuenta el deseo de mejorar la aplicabilidad de los procesos avanzados de oxidación, se utilizó el agua residual proveniente de un laboratorio clínico como medio de evaluación del desempeño de la ilmenita en el proceso fotocatalítico, esto debido a que, al igual que con los catalizadores, muchos estudios utilizan aguas residuales preparadas o sintéticas que se alejan de la realidad. El agua residual utilizada es de un color morado intenso debido a la presencia de colorantes derivados del trifenilmetano, especialmente el violeta cristal, provenientes del proceso de Tinción de Gram el cual es ampliamente usado en la identificación de patologías en muestras de orina de pacientes en análisis de laboratorios clínicos. Esta agua residual permitió evaluar la capacidad de decoloración y de degradación de sustancias orgánicas complejas al utilizar ilmenita en el proceso fotocatalítico. La composición exacta de la ilmenita, sus características cristalográficas y su área específica se determinaron mediante las técnicas de Fluorescencia de rayos X (XRF), Difracción de rayos X (XRD), Microscopía de barrido electrónico (SEM) y Sortometría (BET), mientras que el proceso de decoloración del agua residual se monitoreó mediante la medición de la absorbancia en el espectro visible y del pH de la solución residual en el tiempo, evaluando distintas concentraciones del catalizador, distintos tamaños de partícula del mismo, su estabilidad y su actividad bajo distintas fuentes de irradiación de luz. Como resultado se obtuvo un 100% de decoloración de la solución residual diluida al 5% (V/V) usando la ilmenita como catalizador, peróxido de hidrógeno como aceptor de electrones y una fuente de luz ultravioleta tipo C (254 nm) durante un tiempo de exposición de 3 horas; el pH de la solución disminuyó en aproximadamente 0.8 unidades indicando la formación de ácidos durante el proceso. La realización de análisis de demanda química de oxígeno (DQO) demostró que la formación de ácidos y pérdida de color están asociados a la degradación y mineralización de las sustancias orgánicas presentes en la solución residual, sin embargo, se concluyó que un seguimiento al proceso de degradación mediante la medición del carbono orgánico total permitirá determinar la capacidad de conversión de los contaminantes a CO2 usando ilmenita.

Abstract. Hazardous waste production represents a major issue worldwide due to their inadequate management and disposal, especially when incineration techniques are applied to the destruction of potentially dioxin-related solid or liquid wastes, which likewise, may be a pollution source for the water quality and availability if are poured without any treatment to hydric sources. Advanced oxidation processes (AOP’s) have been widely applied as alternative mechanisms for the degradation of substances whose treatment by biological mechanisms is non-practical. Many researchers focus their goals in the energy efficiency and degradation improvement of the AOP’s, especially those related with photocatalysis. Solar light activation and improvement of the degradation processes represents the main goals when modifying the structure and composition of catalysts, especially those made with titanium dioxide and ferrous oxide, however, those modifications require expensive and relatively non-available metallic elements which counteract the energy and degradation advantages obtained by the modification. Furthermore, their preparation requires highly advanced and technical processes which may discourage further applications at industrial or even pilot scale. This is why available and more manageable materials are desired as alternatives for their application in photocatalytic processes. Ilmenite appears as a potential photo catalyst due to the presence of titanium and iron oxides in its structure as a natural mineral (over 40% of both elements), allowing their availability in the reactive process without the elaboration of complex and time-spending preparation steps. In order to improve even more the applicability of AOP’s, the wastewater was obtained from a clinical laboratory process and was used as the reaction media to assess the performance of ilmenite as a photo catalyst, taking into account that many studies use synthetic wastewater to evaluate the performance of an AOP, which means a deviation from reality. In that order, the present research aimed to assess the effects of ilmenite use in the discoloration process of a real wastewater. The wastewater comes from a gram staining process used to identify pathogenic microorganisms present in biological samples; the active ingredient is crystal violet which is a triphenylmethane dye derivative, highly toxic and non-biodegradable, and gives a shiny purple color to the wastewater. This property allows the identification of the performance of ilmenite in the discoloration and degradation of complex organic substances by the Photocatalytic process. The ilmenite composition, crystallographic structure and specific area were determine by X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and BET Nitrogen adsorption sortometry techniques, while the discoloration process of the wastewater was measured by Visible spectrophotometry and pH change trough the reaction time, evaluating various ilmenite loads, particle size and stability under light sources with different energies. As result, a 100% wastewater discoloration diluted at 5% (V/V) using ilmenite as the photo-catalyst, hydrogen peroxide as electron acceptor under a 254 nm wavelength ultraviolet light irradiation, during a 3 hour exposure time. Solution pH dropped about 0.8 units showing the formation of acids in the reaction process. Chemical oxygen demand (COD) analysis confirmed that acid formation and discoloration were associated to organic substances mineralization; however, it was conclude that a total organic carbon (TOC) analysis is necessary to determine the CO2 formation capacity of the Photocatalytic process using ilmenite.