Fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de agua contaminada (página 2)

Concentrador Cilindro Parabólico (CCP)

Control Bacteriológico: Reactor Plano Estático (RPE)

Control Químico de Cloro en Concentrador Cilindro Parabólico

Control Químico de Cloro en Reactor Plano Estático (RPE)

Comparación del control bacteriológico

Comparación del control químico

Discusión

Antes de comenzar el análisis de los resultados obtenidos cabe aclarar que se tienen en cuenta solamente tendencias que por repetición permiten inferir determinados patrones de actividad.

Es por esto que no se pueden establecer datos en términos cuantitativos finos. Esto se debe a que las condiciones experimentales no estuvieron estrictamente parametrizadas, poniendo en duda la confiabilidad de los mismos.

Es primordial establecer diferencias físicas y de funcionamiento entre los dos dispositivos utilizados, para comprender la acción fotocatalítica en cada caso:

Fig. 33: Comparación de características entre ambos reactores solares

También es importante destacar algunas propiedades físico-químicas de las sustancias catalizadoras que las diferencian e influyen en el accionar de cada una para el proceso fotocatalítico heterogéneo.

Fig. 34: comparación de características de los dos catalizadores utilizados

A partir de las consideraciones realizadas, se pudo evaluar el control bacteriológico y químico obtenido en la fotocatálisis heterogénea.

Control bacteriológico

Sobre el CCP: Al analizar las graficas de acción de la fotocatálisis heterogénea sobre bacterias heterótrofas mesófilas totales (B.H.M.T, que crecen en Agar Triptosoya) se puede observar que hay una disminución importante de UFC (Unidades Formadoras de Colonias) a la primera hora de exposición de catalizador (TiO2 y ZnO), mientras que la disminución de la población de bacterias con la sola acción de los rayos UV es mas pronunciada en las dos primeras horas y se mantiene constante en las últimas dos. El efecto del catalizador sobre las bacterias presentes en el agua tiende a decrecer rápidamente, reduciendo el mayor porcentaje a primer instante. Así continúa su acción durante las horas siguientes pero con menor disminución de bacterias. Además, la cinética de muerte inicial pudo darse en mayor medida sobre bacterias más susceptibles, quedando presentes las más resistentes (levaduras, coliformes y esporulantes).

Comparando las figuras 10 y 11 de B.H.M.T, la caída de la población a la primera hora de acción de ambos catalizadores es muy pronunciada comparada con la acción de fotolisis sobre el agua sin catalizador. Sin embargo, luego de 4 horas de exposición al sol los resultados son similares en número de colonias sobrevivientes. Esto puede deberse, a que al final del proceso, la continua exposición a numerosos rayos UV termine de eliminar a la mayor cantidad de bacterias, quedando sólo las más resistentes, tanto a rayos UV como a efectos catalizadores. Entonces la efectividad de la fotocatálisis se observa en la rapidez de su acción.

Sin embargo, en la figura 12 hay una caída pareja para las 3 muestras, lo cual se puede deber a un error en la siembra, ya que la utilización de catalizador para el saneamiento de agua seria entonces dispensable, porque se obtienen los mismos resultados y con igual rapidez.

La disminución de coliformes totales (que crecen en Agar Mc Conkey) con el sistema se presenta exponencialmente en la primera hora de exposición con la acción de ZnO y TiO2, en tanto sin los aceleradores de la reacción, las coliformes recién comienzan a decrecer a partir de la primera hora, ya que éstas son las más resistentes y sólo con la acción de catalizadores podría deshacerse de ellas.

En todas las pruebas hay una tendencia que verifica la acción catalítica de TiO2 y ZnO durante la primera hora de exposición demostrando su rápida acción. En tanto en las horas siguientes la caída de UFC permanece relativamente constante, con leves disminuciones.

En el caso de exposición con catalizadores la temperatura parece no ser influyente, ya que durante el periodo de mayor caída bacteriana, todavía la temperatura no había alcanzado el máximo.

En cuanto a la exposición del agua sin catalizador durante la primera hora no se registran caídas (manifestándose como una fase aritmética), mientras que durante las 3 horas siguientes desciende exponencialmente. Esto podría deberse a que habría disponibilidad de oxigeno en la primera hora, manteniendo la población constante. A partir de ese momento podría darse una disminución el oxigeno produciendo la muerte de bacterias aeróbicas, siendo que las resistentes (aquellas anaerobias), las únicas sobrevivientes. Quizá sea debido al confinamiento y disminución de disponibilidad de oxigeno.

Entonces, la reducción de población no se debería a la fotolisis sino que puede justificarse por la falta de oxigeno.

Sin embargo, la figura 15 muestra una similar disminución bacteriana en relación a los sistemas que presentan catalizador y el que no; esto podría deberse a un error de siembra en el tiempo 1 del agua sin catalizador. A diferencia de las primeras 2 pruebas, donde durante la primera hora se mantuvo constante la UFC, en esta última la caída es exponencial.

También en el caso de las coliformes totales, todas las muestras, al cabo de las 4 horas de exposición, alcanzan los mismos valores. Esto muestra que la diferencia entre la utilización de catalizadores o no, radicaría en la velocidad de deshacerse de aquellas bacterias más peligrosas para la salud humana.

Sobre el RPE: Lo primero que se observa es el hecho de que la cinética de muerte de las UFC no es tan pronunciada en comparación con el CCP. Esto puede darse debido a que no hay concentración de los rayos UV en un foco, haciendo que la cantidad captada de éstos sea menor. Otro factor influyente es la discontinuidad de la acción solar sobre una misma película de agua al estar ésta en constante movimiento.

Por otro lado se debe tener en cuenta que el recipiente es abierto, permitiendo a las bacterias el permanente abastecimiento de O2. Esto es de suma importancia debido a que las B.H.M.T. son aeróbicas, encontrándose así en condiciones optimas de reproducción y supervivencia.

En las muestras con catalizadores (ZnO y TiO2) se observó una caída importante en la primera hora de exposición. En las siguientes horas, el porcentaje de disminución fue menor, manteniéndose casi constante. Esto comprueba la conveniencia del uso de catalizadores, debido a su eficacia para reducir las UFC en un periodo de tiempo corto.

En los casos en que se utilizó catalizador se observó que la temperatura no influyó en la disminución de las UFC, ya que en este tipo de reactor las temperaturas no superan los 30 °C.

Sin embargo, en la exposición de agua sin catalizador no se registró actividad, sino que se mantuvieron los valores de población bacteriana, tanto H.M.T como para coliformes totales.

Comparando la acción catalítica de ZnO y TiO2, se constató que el ZnO tuvo un mejor accionar para la reducción de colonias bacterianas (90%), mientras que el TiO2 mostró efectividad pero en menor proporción (60%).

En el caso específico de bacterias coliformes al contrastar ambos catalizadores se registra una reacción similar: el ZnO alcanza mejores resultados llegando a eliminar casi el total de UFC, cuando el TiO2 reduce la población en un 88%. Aunque el TiO2 tiene una actividad más rápida sobre las bacterias coliformes, al cabo de 4 horas el ZnO alcanza mejores resultados.

Tanto para bacterias H.M.T. como para bacterias coliformes totales la acción bactericida de los catalizadores es más eficaz que en ausencia de éstos, dando como resultado la casi total eliminación de organismos. Esto es generado por la reacción del catalizador con rayos UV en el agua que al entrar en contacto con las bacterias, genera graves daños en la permeabilidad celular, descomposición de la pared, eliminación de nutrientes e inhibición del sistema reproductor.

Cabe aclarar que las principales diferencias se manifiestan entre la actividad de catalizadores y la sola acción de rayos UV, siendo despreciable la diferencia entre los efectos de ambos catalizadores. Esto podría constatarse con el hecho que el agua sin el catalizador tiende a un patrón de curvas aritméticas iniciales (en CCP y RPE) y a partir de la primera hora una curva logarítmica. Esto ocurriría en CCP, manteniendo los valores de las UFC constantes en el RPE.

Por el contrario las curvas de la acción catalítica se asemejarían a un patrón bifásico: exponencial inicial (0-1 h.) y aritmética final (1-3 hs.); tanto para Agar Triptosoya como para Agar Mc Conkey y en ambos reactores.

Para la elección y optimización de un fotorreactor, se procedió a comparar las tendencias de efectividad de cada muestra en ambos reactores. De esta forma se infirió que el CCP obtuvo mejores resultados, en tanto la cinética de muerte fue mayor fue para B.H.M.T. y coliformes totales.

Una vez optimizado el fotorreactor se continuó con la optimización del catalizador. Dicha elección no pudo ser realizada, ya que ambos presentaron curvas de caídas similares (con las mismas fases) y con tendencias de disminución bacteriana parecidas. Como resultado final, se obtiene la eliminación casi total de B.H.M.T. y coliformes totales con ambos catalizadores.

Control químico

Es importante aclarar que los datos obtenidos en la experiencia son los que nos permiten inferir el aumento de la descomposición de compuestos clorados, brindando información sobre las cantidades de los productos de la reacción, y no sobre la cantidad de cloroformo descompuesto.

Para analizar la descomposición de cloroformo en ambos reactores se realizó una prueba piloto utilizando agua destilada, de manera que los datos obtenidos sirvieron de patrón para comprobar el aumento de CTR (Cloro Total Residual) y CLR (Cloro Libre Residual) en cada caso. Esto se da por la ruptura de la molécula de cloroformo por acción de los rayos UV. Esta prueba se llevó a cabo en agua destilada ya que al ser desmineralizada, no presenta compuestos que puedan reaccionar con el cloro libre, formando cloro combinado, alterando los resultados. En el caso de la prueba piloto del RPE (figura 21), los datos obtenidos no fueron exactos, porque las mediciones en el tiempo 0 no fueron inmediatas a la preparación de la solución, habiéndose producido reacciones hasta ese momento.

En cuanto al CCP se demostró nuevamente la conveniencia del uso de catalizadores, en este caso para la obtención de aguas libre del contaminante orgánico trihalometano, cloroformo (CHCl3).

La cantidad de CTR al igual que la del CLR presentó un leve aumento en la primera hora de exposición, observándose una curva de tipo exponencial a partir de ésta.

Si bien los dos catalizadores fueron considerablemente más efectivos que la sola acción del sistema expuesto al sol, el TiO2 presentó aun una mayor actividad con respecto al ZnO. Esto pudo deberse a la cantidad de catalizador en suspensión con respecto a la adherida en las paredes de la botella, lo que permitió un mayor contacto con las moléculas del contaminante. Esto provocó una aceleración en la fotolisis de la molécula de CHCl3.

Por el contrario el ZnO se impregnó casi en su totalidad a las paredes del recipiente, lo que pudo haber limitado la acción descomponedora.

Por otra parte se observa un aumento del CLR en el caso del agua sin tratamiento que puede explicarse por la gran concentración de rayos solares sobre el dispositivo que actúan directamente sobre las moléculas de CHCl3 descomponiéndolo. Esto da lugar a las distintas formas de CLR (ácido hipocloroso y ión hipoclorito) y Cloro Combinado (cloroaminas, trihalometanos, etc.) existentes, incrementando así también el nivel de CTR.

Con respecto al RPE, se registró una actividad similar al CCP en presencia de catalizadores. Hubo una fase aritmética en la primera hora de exposición, lo que indica poca actividad descontaminante. Sin embargo, ésta luego aumentó de manera exponencial en las siguientes dos horas, debido al constante movimiento del agua con el catalizador en suspensión. Esto significó un mayor contacto de las moléculas de CHCl3 con TiO2 y ZnO, agilizando así la reacción.

Acerca del agua sin tratamiento, no se registraron cambios importantes en la formación de CLR ni CTR como consecuencia de la falta de concentración de los rayos solares que dan lugar a la fotólisis del contaminante.

Se puede destacar la repetida tendencia del TiO2 como catalizador con el cual se obtienen resultados óptimos de descontaminación.

A su vez, si se realiza una comparación entre ambos dispositivos es de notar, la mayor eficiencia del RPE. Para ello se calculó el porcentaje de CLR en relación a CTR, indicando que cuando mayor es este porcentaje, mas es la cantidad de CLR con respecto al Cloro combinado.

Esto puso deberse al hecho de que el cloroformo se descompone por acción del oxígeno sumado a la acción de las radiaciones solares y los catalizadores. Al ser el RPE un sistema abierto, la cantidad de oxígeno obtenido fue mayor que en el CCP.

A la hora de comparar los catalizadores fue notable la superioridad del TiO2 por sobre el ZnO. Una de las causas principales que se puede mencionar es el hecho de que el Cl2 en contacto con el agua, modifica su pH volviéndolo más ácido y fue el dióxido de titanio el que tuvo mayor eficacia ante pH menores.

Por último se obtuvo en general, que los niveles de CTR obtenidos (que permiten inferir la descomposición de la molécula de cloroformo) no alcanzaron en las 3 hs de exposición de los reactores, la cantidad de cloroformo incorporado al agua (0,68 mg/L), lo cual indicaría que no se logra una descontaminación total del agua. Es por esto que se infirió que el agua obtenida luego de la experiencia, aún contenía remanentes de CHCl3 y por lo tanto, no era recomendable para uso doméstico (0,2 mg/L de CTR). El porcentaje de agua saneada en el RPE con TiO2 al finalizar la experiencia, alcanzó aproximadamente un 50% (figura 32) valores que se encuentran dentro del rango de porcentaje permisible de CTR para aguas de uso recreativo (entre 1-2 mg/L).

Conclusión

En base a todas las experiencias realizadas y al análisis de las mismas, se arribó a las siguientes conclusiones:

• Se comprobó la eficacia del tratamiento de fotocatálisis heterogénea en agua contaminada para ambos reactores (RPE y CCP).

• Para realizar un control bacteriológico el fotorreactor más eficaz fue el Concentrador Cilindro Parabólico, mientras que no hubo diferencia en la actividad de ambos catalizadores, actuando de igual manera y con igual rapidez.

• Para el control químico se verificó que el fotorreactor más eficaz fue el RPE no concentrador, sin diferencias significativas sobre la acción fotocatalítica.

• Para el control bacteriológico se concluyó que luego de cuatro horas de exposición en el CCP se logró eliminar la totalidad de la población bacteriana coliforme, quedando el agua de esta manera apta para el consumo.

• Para el control químico en el RPE se logra la descomposición de moléculas cloradas. Sin embargo, al finalizar el tratamiento (3 horas de duración) el agua resulta ser apta para el uso recreativo, no así para el consumo humano.

Si bien se arribaron a conclusiones fundamentadas tanto en la experiencia como en la teoría, se deberían haber realizado más repeticiones y con más cambios de variables. Así se obtendrían interpretaciones más claras y confiables de las relaciones entre los factores que pueden influir en la efectividad de los fotorreactores y los catalizadores.

Se reconoce un error de experimentación: el tiempo de exposición, el cual debió ser más extenso para asegurar la certeza de los datos.

Como recomendaciones para futuras investigaciones en el área de la fotocatálisis heterogénea, se sugiere trabajar con métodos más rigurosos a la hora de la cuantificación de cloro libre y total residual, cantidad de UFC/ml. Además se deben tener en cuenta factores ambientales externos (radiación UV, lluvias, contaminación atmosférica por fuertes vientos) a la hora de realizar las experiencias y construir los reactores.

Bibliografía

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• 11. SAWYER Clair y MC CARTY Perry, 2000, "Química para Ingeniería Ambiental", Cuarta Edición, Edición Interamericana.

• 12. TORRICO M., Fuentes I., Flores F. Aplicación del dióxido de titanio para mejorar la eficiencia del método SODIS. 2006

• 13. Toxicología Ambiental y Salud Publica, Departamento de Biología Aplicada – Universidad Miguel Hernández de Elche

• 14.  UNAM. www.sagan-gea.org. [email protected].

Agradecimientos

• A las profesoras Norma Pollet, Angélica Elizalde y Marta Bronstein por el asesoramiento teórico que nos brindaros durante este año y por el compromiso asumido con el grupo.

• A todas las profesoras del laboratorio por la paciencia y su buena voluntad ante cualquier duda o necesidad.

• A nuestras familias y amigos por contenernos y apoyarnos en este arduo camino.

• A Betina Minetti por la colaboración en materiales.

• A la profesora Alicia Rodríguez por administrar los gastos. Y a la escuela que sustentó nuestro proyecto.

• Al profesor Aldo Chaves por el compromiso, paciencia y tiempo dedicados a la realización de este proyecto.

Apéndice

Apéndice I

Apéndice II

Esterilización:

El proceso de esterilización de los elementos se lleva a cabo en una olla a presión. Este recipiente hermético permite trabajar a altas presiones y logra que el agua alcance temperaturas superiores a su punto de ebullición (121° aprox.).

La temperatura y el vapor actuando conjuntamente producen la coagulación de las proteínas de los microorganismos, entre ellas las esenciales para la vida y la reproducción de estos, llevando así a su destrucción.

Materiales:

• Olla a presión con una pequeña cantidad de agua

• Capuchones de papel madera

Procedimiento:

• Colocar a todos los elementos que se desee esterilizar, capuchones de papel madera.

• Ubicar los elementos dentro de la olla a presión.

• Dejar la olla a fuego medio hasta 20 min. después del primer hervor.

• Esperar que descienda la temperatura de la olla y sacar todos los elementos esterilizados cuidadosamente para evitar su contaminación.

Nota: este sistema de esterilización solo será utilizado para aquellos elementos que sean de vidrio. En el caso de los tapones de goma, se los esterilizará sumergiéndolos en un vaso de precipitado que contenga alcohol.

Apéndice III

Dilución:

La dilución en series es la reducción progresiva de la concentración de una sustancia en dilución. Por lo general el factor dilución en cada paso es constante, lo que da como resultado una progresión geométrica de la concentración en forma logarítmica. Las diluciones en serie se utilizan para crear disoluciones muy diluidas con precisión.

El factor dilución es el número total de volúmenes al que se lleva un volumen dado de la muestra original. Entonces el factor dilución también corresponde a la división de la concentración de la muestra original sobre la concentración de la muestra diluida.

Si la solución buscada es 1:10 se toma un volumen de la solución de 1 ml y se añaden 9 volúmenes del disolvente.

Factores de dilución muy grandes como 1:100 o 1:1000 se hacen mediante sucesivas diluciones consecutivas de factor 1:10. En la siguiente etapa se toma una parte de la disolución anterior y se agrega a los volúmenes del disolvente.

Materiales:

• Tubos de ensayo con las muestras puras.

• 2 tubos de ensayo esterilizados por cada muestra pura.

• Jeringa con su respectiva aguja de 1 ml.

• Jeringa con su respectiva aguja de 10 ml.

• Tapones de goma previamente esterilizados con alcohol.

Procedimiento

Para lograr una disolución 1:10

• Se coloca 9 ml de solución fisiológica en un tubo de ensayo esterilizado, con la jeringa de 10 ml.

• Se extrae con la jeringa más pequeña 1 ml de la muestra pura.

• Se coloca dentro del tubo con solución fisiológica.

• Se coloca el tapón de goma.

• Se agita varias veces para lograr una mezcla homogénea.

Para lograr una disolución 1:100

• Se coloca 9 ml de solución fisiológica en un tubo de ensayo esterilizado, con la jeringa de 10 ml.

• Se extrae con la jeringa más pequeña 1 ml de la disolución anterior.

• Se coloca dentro del tubo con solución fisiológica.

• Se coloca el tapón de goma.

• Se agita varias veces para lograr una mezcla homogénea.

Apéndice IV

Medio de cultivo

Un medio de cultivo consiste en un gel o una solución que cuenta con los nutrientes necesarios para permitir el crecimiento de microorganismos.

Se presenta desecado en forma de polvo fino o granular, antes de ser preparado. Al prepararse se encuentra en estado sólido.

La Triptona Soya es un medio de cultivo altamente nutritivo para una gran cantidad de microorganismos exigentes.

Materiales:

• Agua destilada

• Triptona Soya en polvo

• Botellas de vidrio

• Tapones

• Cápsulas de Petri

• Estufa

Procedimiento:

• Preparar el medio vertiendo medio litro de agua cada 20 g de Triptona Soya.

• Poner al fuego la solución y dejarla hasta unos instantes después del hervor.

• Verter el medio en estado líquido en las botellas de vidrio y tapar con los tapones.

• Una vez preparado el medio, esterilizarlo en la olla a presión.

• Luego de esterilizar el medio, llenar las cápsulas de Petri con éste. (Este procedimiento se realizará en la campana de esterilización).

• Dejar reposar las cápsulas unos minutos hasta que el medio quede en estado sólido.

• Guardar las cápsulas en la heladera boca abajo hasta el momento de utilizar.

• Al momento de su utilización, sacar las cápsulas de la heladera y llevarlas a la estufa hasta notar que se ha evaporado todo resto de agua.

Apéndice V

La parábola fue construida según la ecuación: y= ½ x2

Apéndice VI

Apéndice VII

Apéndice VIII

Tablas

Conteo Bacteriológico CCP

Porcentaje de disminución de la población bacteriana

Conteo Bacteriológico en RPE

Pruebas Químicas

CCP

RPE

Autor:

Campagnón, Emilia

Gazal, Nahir G.

Gómez, Cecilia B.

Settembrino, Daniela A.

Taller de Integración Curricular con Eje en Cs. Naturales

8vo CN2

Profesor: Chaves, Aldo Roberto

Universidad Nacional de Córdoba

Escuela Superior de Comercio Manuel Belgrano

Córdoba -Diciembre, 2011