Diseño conceptual para el tratamiento de aguas coloreadas provenientes de la industria de alimentos utilizando el sistema peróxido activado con bicarbonato

Abstract

Los vertimientos coloreados de la industria alimentaria tienen gran impacto en la calidad del agua de los cuerpos hídricos receptores, puesto que los colorantes, debido a su alto peso molecular, estructuras complejas y gran solubilidad en el agua, tienden a permanecer durante extensos periodos de tiempo en la naturaleza, alterando los procesos fotosintéticos. El ponceau 4R es un colorante sintético azoico, ampliamente utilizado en la industria alimentaria, cosmética y farmacéutica. Este colorante posee un grupo cromóforo de tipo -N=N-, dos anillos nafténicos, tres grupos sulfónicos (-SO3-) y un grupo hidroxilo (-OH), características que los hacen recalcitrante. Los Procesos de Oxidación Avanzados (POAs) han sido ampliamente estudiados para la degradación de compuestos coloreados. Los POAs se basan en la formación in situ de radicales hidroxilos (•OH), especies que reaccionan con la materia orgánica para transformarla a productos oxidados, CO2 y H2O. El sistema peróxido de hidrógeno activado con bicarbonato o sistema BAP (por sus siglas en ingles Bicarbonate Activated Peroxide), es una tecnología emergente que ha demostrado ser eficiente para la oxidación de colorantes, debido a la formación de radicales hidroxilo (•OH) y otras especies reactivas como el ion peroximonocarbonato (HCO4-), radical perhidroxilo (O2•-) y anión radical carbonato (CO3•-); que pueden degradar los contaminantes. El sistema BAP ha sido evaluado principalmente en medio homogéneo, presentando como desventaja la recuperación del catalizador, lo cual ha llevado a la implementación de este sistema de oxidación en medio heterogéneo. Una de las fases activas del sistema BAP es el cobalto, el cual se ha soportado sobre hidróxidos doble laminares (Co-Mg/Al LDH), diatomita, carbón activado y arcilla pilarizada, mostrando excelentes resultados. Sin embargo, todos las investigaciones han sido a nivel de laboratorio y no se han evaluado los costos de este sistema de tratamiento. En el presente trabajo final de maestría se planteó como objetivo general “Proponer un diseño conceptual para el tratamiento de un colorante azoico en medio acuoso empleando el sistema peróxido de hidrógeno activado con bicarbonato (BAP)”, siendo esta la primera fase del diseño de un proceso ingenieril, el cual permite proyectar el sistema de tratamiento BAP a una escala industrial. Los datos experimentales de decoloración catalítica del ponceau 4R en medio homogéneo y heterogéneo fueron el insumo para el desarrollo de este trabajo final, y estos fueron obtenidos en otros estudios realizados en el grupo de investigación. El desarrollo de un diseño conceptual puede ser complejo, debido a las diferentes alternativas de diseño para el mismo proceso, por tanto, para la selección entre el sistema homogéneo ii

y heterogéneo se realizó una matriz de priorización para evaluar diferentes criterios a considerar en la implementación de la nueva tecnología de tratamiento de aguas coloreadas, entre estos, el costo anual total, el acceso y reuso de materias, los tiempos de operación y el tamaño de los equipos. Después de comparar el sistema homogéneo y el heterogéneo de acuerdo con cada criterio en la matriz, el sistema homogéneo fue la alternativa que obtuvo el mayor puntaje. Para un caudal de 50,000 m3/año, una concentración inicial de colorante de 50 mg/L, el costo de tratamiento del agua coloreada con el sistema Co2+-BAP se estimó en 10.11 USD/m3 (USD = 3661 COP). Con el fin de garantizar la máxima eficiencia y el menor costo de tratamiento del proceso homogéneo, se evaluó la configuración del sistema de reacción (serie, paralelo), donde nuevamente se utilizó una matriz de selección de alternativas para comparar estas dos opciones. La configuración en serie fue la alternativa que tuvo mayor puntuación y para esta se realizó el diseño conceptual del sistema de tratamiento BAP.

Colored discharges from the food industry have a great impact on the water quality of receiving water bodies, since dyes, due to their high molecular weight, complex structures and high solubility in water, tend to remain for long periods of time in nature, altering photosynthetic processes. Ponceau 4R is a synthetic azo dye, widely used in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. This dye possesses a -N=N- type chromophore group, two naphthenic rings, three sulfonic groups (-SO3-) and a hydroxyl group (-OH), characteristics that make them recalcitrant. The Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been widely studied for the degradation of colored compounds. AOPs are based on the in-situ formation of hydroxyl radicals (•OH), species that react with organic matter to transform it to oxidized products, CO2 and H2O. The Bicarbonate Activated Peroxide (BAP) system is an emerging technology that has proven to be efficient for the oxidation of dyes, owing to the formation of hydroxyl radicals (•OH) and other reactive species such as peroxymonocarbonate ion (HCO4-), perhydroxyl radical (O2•-) and carbonate radical anion (CO3•-); which can oxidize pollutants. The BAP system has been evaluated mainly in homogeneous media, presenting as a disadvantage the recovery of the catalyst, which has led to the implementation of this oxidation system in heterogeneous media. One of the active phases of the BAP system is cobalt, which has been supported on double lamellar hydroxides (Co-Mg/Al LDH), diatomite, activated carbon and pillared clays showing excellent results. However, all investigations have been at the laboratory level and the costs of this treatment system have not been evaluated. In this Master's degree Final Project, the general objective was "To propose a conceptual design for the treatment of an azo dye in an aqueous medium using the bicarbonate-activated hydrogen peroxide (BAP) system", this being the first phase of the design of an engineering process, which allows the BAP treatment system to be projected on an industrial scale (scale-up). The experimental data of catalytic decolorization of 4R ponceau in homogeneous and heterogeneous media were the input for the development of this final project, and these were obtained in other studies carried out in the research group. The development of a conceptual design can be complex, due to the different design alternatives for the same process, therefore, for the selection between the homogeneous and heterogeneous system a prioritization matrix (decision-making method) was performed to evaluate different criteria to be considered in the implementation of the new colored water treatment technology, among these, the total annual cost, access and reuse of materials, operation times and size of the equipment. After comparing the homogeneous and heterogeneous systems according to each criterion in the prioritization matrix, the homogeneous system was the alternative with the highest score. For a flow rate of 50,000 m3/year, an initial dye concentration of 50 mg/L, the cost of treating the colored water with the Co2+-BAP system was estimated at 10.11 USD/m3. In order to ensure maximum efficiency and the lowest treatment cost of the homogeneous process, the configuration of the reaction system (series, parallel) was evaluated, where the decision-making method was used again to compare these two options. The series configuration was the highest scoring alternative and the conceptual design of the BAP treatment system.