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1 Marco teoacuterico
11 Helmintos
111 Naturaleza de los helmintos
Los helmintos o gusanos son animales invertebrados de cuerpo alargado con
simetriacutea bilateral y oacuterganos definidos sin extremidades con reproduccioacuten
sexuada durante el estadio adulto y con un tamantildeo variable que oscila entre
deacutecimas de miliacutemetro a varios metros Evolutivamente se situacutean en los niveles
inferiores del reino animal (helmintos 2008 1)
Los helmintos pueden dividirse en tres grupos los aneacutelidos o gusanos
segmentados los platelmintos o helmintos planos y los nematelmintos o helmintos
redondos de aparicioacuten posterior y mayor complejidad Las especies de
importancia meacutedica son acuaacuteticas o terrestres Las hay de distinto tamantildeo y
poseen cuerpos ovales musculosos muchas veces pigmentados con cutiacutecula
gruesa ventosas en ambos extremos mandiacutebulas fuertes y faringe muscular
(helmintos 2008 1)
Aunque existen diferentes tipos de helmintos su frecuencia relativa
depende de las condiciones de la regioacuten usualmente el geacutenero dominante es
Aacutescaris (Figura 1) (Jimeacutenez 2003)
Estudios en el tratamiento de agua frecuentemente usan Taenia saginata
como modelo a pesar de ser un geacutenero poco comuacuten de los helmintos En paiacuteses
en desarrollo los niveles de helmintiasis pueden ser tan altos como 25ndash33 de la
poblacioacuten Como lo muestra la Tabla 1 helmintos estaacuten presentes en alrededor
de 650 millones de individuos considerando que en paiacuteses en desarrollo estaacuten
presentes en no mas del 15 de las personas La Ascariasis es endeacutemica en
aacutereas de Aacutefrica America Central Sudameacuterica y en paiacuteses orientales donde hay
pobreza y lugares en condiciones de poca sanidad Los iacutendices alcanzan un 90
en algunas partes del mundo (Jimeacutenez 2003)
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Figura 1 Tipos de helmintos maacutes comunes en el agua de la ciudad de Meacutexico (Jimeacutenez y Chaacutevez 1998)
La Ascariasis tambieacuten es comuacuten en los Estados Unidos pero de los 4
millones de personas infectadas el mayor porcentaje son inmigrantes de paiacuteses
en desarrollo La figura que predomina de los paraacutesitos patogeacutenicos intestinales
en este sector de la poblacioacuten varia entre el 20 y 60 (Jimeacutenez 2003)
Tabla 1 Estimaciones del tamantildeo y el alcance global de los paraacutesitos intestinales
Enfermedad Nuacutemero de personas
infectadas (en millones)
Casos anuales
(en millones)
Muertes anuales
(en millones)
Amebiasis 500 40-50 40 000-100 00
Giardiasis 200 05
Ascariasis 800-1000 1 20 000
Infeccioacuten de
anquilostoma 700-900 15 50 000-60 000
Trichuriasis 500 01
(Jimeacutenez 2003)
El huevo y larva de los helmintos son resistentes a varias condiciones
ambientales y meacutetodos tradicionales de desinfeccioacuten pero pueden ser removidos
por sedimentacioacuten coagulacioacuten y floculacioacuten filtracioacuten humedales y lagunas de
estabilizacioacuten (Jimeacutenez 2003)
Los helmintos se reproducen sexualmente formando huevos feacutertiles que
dan lugar a larvas de diversa morfologiacutea y tamantildeo variable algunas de las cuales
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pueden presentar varios estadios muy diferenciados entre siacute en uno o diversos
hueacutespedes intermediarios hasta transformarse en adultos (helmintos 2008 3)
Los Helmintos son organismos multicelulares La larva viva tal como la
encontramos usualmente no es patoacutegena el estadio maacutes infectivo y resistente a
los procesos convencionales de desinfeccioacuten es durante la forma de huevo
(Campos 2008)
112 Fuentes de infeccioacuten y rutas de dispersioacuten
La contaminacioacuten en agua y los desechos fecales son las principales causas de
enfermedades a nivel mundial incluso en sociedades industrializadas que ya
cuentan con sofisticada tecnologiacutea para tratamiento de agua En paiacuteses menos
desarrollados la carga excesiva de diarrea es probable que refleje muacuteltiples
maneras de transmisioacuten de patoacutegenos La exposicioacuten global a contaminacioacuten fecal
est+a en aumento como resultado al crecimiento poblacional fuerzas impulsoras
de economiacutea e instituciones deacutebiles (Cifuentes et al 2004)
Los Helmintos normalmente no se transmiten faacutecilmente en el agua
potable pero se considera aquiacute debido a su alta incidencia y los problemas que
potencialmente podriacutea causar a las fuentes de agua potable particularmente en
paiacuteses con una red sanitaria pobre Asiacute mismo en sitios como la laguna de
Tamiahua es importante considerar tambieacuten la posibilidad de su dispersioacuten como
resultado del uso recreativo con contacto primario que tiene el embalse y que
puede ser un foco de contaminacioacuten importante (Jimeacutenez 2003)
Los huevos pasan a la material fecal de la persona infectada y asiacute es como
llegan al agua residual contaminando suelos y en algunos casos contaminan
fuentes de agua potable (Brownell y Nelson 2006)
La reutilizacioacuten de agua en los paiacuteses desarrollados ha influenciado la
evolucioacuten del aumento sofisticacioacuten y meacutetodos costosos para tratamiento
deteccioacuten y anaacutelisis del agua residual Ya que una mala desinfeccioacuten de dicha
agua puede convertirla en una viacutea de transmisioacuten de enfermedades a las
personas que les llegue el agua Existen varios contratos destacados entre paiacuteses
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desarrollados y paiacuteses en desarrollo en relacioacuten a la reutilizacioacuten de agua sin
embargo los paiacuteses en desarrollo no cuentan con la tecnologiacutea que cuentan los
paiacuteses desarrollados En consecuencia es mas frecuente encontrar estos huevos
contaminando las aguas de los paiacuteses en desarrollo provocando que los
porcentajes de enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua sean
mayores en estos lugares (Jimeacutenez 2003)
Los huevos de helmintos estaacuten bien adaptados para sobrevivir en
tratamientos de agua en algunos casos al puerto en sistemas de distribucioacuten y
tambieacuten en emerger vivos de las coladeras domeacutesticas (Campos 2008)
113 Efectos producidos por infeccioacuten con helminto s
Las infecciones de los helmintos como ascariasis llevan a incapacidades fiacutesicas y
mentales incluyendo impedimentos cognoscitivos y sociales maacutes alta
susceptibilidad a la infeccioacuten disminucioacuten de respuesta a las vacunas y
desnutricioacuten lo que deteriora al desarrollo de varios cientos de millones de nintildeos
en paiacuteses en desarrollo (Brownell y Nelson 2006)
Los paraacutesitos intestinales causan anemia desnutricioacuten pueden retardar el
crecimiento y otras enfermedades como lo muestran las tablas 2 y 3 En el mundo
desarrollado la motivacioacuten principal para reutilizacioacuten de agua residual ha sido
una escasez de agua que es por lo que hay casos de reutilizacioacuten indirecta (no
intencional por supuesto) para consumo humano que no estaacute sujeta a estaacutendares
disentildeados para minimizarlos riesgos de salud (Jimeacutenez 2003)
La praacutectica de reutilizacioacuten indirecta intencional en paiacuteses en desarrollo es
responsable por aproximadamente 4 billones de casos de diarrea diaria que
causan 22 millones de muertes al antildeo principalmente en nintildeos menores de cinco
antildeos Estas cifras significan la muerte de un nintildeo cada 15 segundos y representa
15 de todas las muertes en paiacuteses en desarrollo que es lo contrario en paiacuteses
(Jimeacutenez 2003)
Enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua a nivel mundial e
infecciones relacionadas con la sanidad son unas de las mayores contribuciones
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de enfermedades mortales La carga principal de enfermedades que cae en esta
categoriacutea se da en las sociedades maacutes pobres y en nintildeos que no llegan a los
cinco antildeos Muchas diferentes enfermedades virales bacteriales y de paraacutesitos se
asocian a las enfermedades provocadas por contaminacioacuten del agua Algunas
enfermedades han sido esparcidas por el agua potable y otras por el contacto con
agua recreacional (Hunter 2003) como lo muestra la Tabla 2
Tabla 2 Enfermedades que causan los helmintos las viacuteas de transicioacuten y sus caracteriacutesticas quiacutemicas
Helmintos Enfermedad Transmisioacuten Caracteriacutesticas
cliacutenicas
Schistosoma spp Schistosomaisis
Contacto con la
superficie del agua
contaminada
Dantildeo en intestino y
viacutea urinaria caacutencer
Dracunculus
medinensis Dracunculiasis Ingerir el agua
Uacutelceras dolorosas
en los rintildeones y
pies
(Hunter 2003)
Tabla 3 Lista de agentes que causan enfermedades debido al agua contaminada
Agente Enfermedad
Ancylostoma duodenale Anaemia ancylostomiasis
Ascaris lumbricoides Ascariasis
Echinococcus granulosis Hyadatidosis
Enterobius vermicularis Enterobiasis
Necator americanus Anaemia
Schistosoma spp Schistosomiasis
Strongyloides stercoralis Diarrea dolor abdominal nauseas
strongylodiasis
Taenia solium Taenisis cysticercosis
Trichuris trichiura Diarrea
Toxocara Fiebre dolor abdominal nauseas
(Jimeacutenez 2003)
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114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
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temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
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excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
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- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
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Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
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metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
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122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
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condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
2
Figura 1 Tipos de helmintos maacutes comunes en el agua de la ciudad de Meacutexico (Jimeacutenez y Chaacutevez 1998)
La Ascariasis tambieacuten es comuacuten en los Estados Unidos pero de los 4
millones de personas infectadas el mayor porcentaje son inmigrantes de paiacuteses
en desarrollo La figura que predomina de los paraacutesitos patogeacutenicos intestinales
en este sector de la poblacioacuten varia entre el 20 y 60 (Jimeacutenez 2003)
Tabla 1 Estimaciones del tamantildeo y el alcance global de los paraacutesitos intestinales
Enfermedad Nuacutemero de personas
infectadas (en millones)
Casos anuales
(en millones)
Muertes anuales
(en millones)
Amebiasis 500 40-50 40 000-100 00
Giardiasis 200 05
Ascariasis 800-1000 1 20 000
Infeccioacuten de
anquilostoma 700-900 15 50 000-60 000
Trichuriasis 500 01
(Jimeacutenez 2003)
El huevo y larva de los helmintos son resistentes a varias condiciones
ambientales y meacutetodos tradicionales de desinfeccioacuten pero pueden ser removidos
por sedimentacioacuten coagulacioacuten y floculacioacuten filtracioacuten humedales y lagunas de
estabilizacioacuten (Jimeacutenez 2003)
Los helmintos se reproducen sexualmente formando huevos feacutertiles que
dan lugar a larvas de diversa morfologiacutea y tamantildeo variable algunas de las cuales
3
pueden presentar varios estadios muy diferenciados entre siacute en uno o diversos
hueacutespedes intermediarios hasta transformarse en adultos (helmintos 2008 3)
Los Helmintos son organismos multicelulares La larva viva tal como la
encontramos usualmente no es patoacutegena el estadio maacutes infectivo y resistente a
los procesos convencionales de desinfeccioacuten es durante la forma de huevo
(Campos 2008)
112 Fuentes de infeccioacuten y rutas de dispersioacuten
La contaminacioacuten en agua y los desechos fecales son las principales causas de
enfermedades a nivel mundial incluso en sociedades industrializadas que ya
cuentan con sofisticada tecnologiacutea para tratamiento de agua En paiacuteses menos
desarrollados la carga excesiva de diarrea es probable que refleje muacuteltiples
maneras de transmisioacuten de patoacutegenos La exposicioacuten global a contaminacioacuten fecal
est+a en aumento como resultado al crecimiento poblacional fuerzas impulsoras
de economiacutea e instituciones deacutebiles (Cifuentes et al 2004)
Los Helmintos normalmente no se transmiten faacutecilmente en el agua
potable pero se considera aquiacute debido a su alta incidencia y los problemas que
potencialmente podriacutea causar a las fuentes de agua potable particularmente en
paiacuteses con una red sanitaria pobre Asiacute mismo en sitios como la laguna de
Tamiahua es importante considerar tambieacuten la posibilidad de su dispersioacuten como
resultado del uso recreativo con contacto primario que tiene el embalse y que
puede ser un foco de contaminacioacuten importante (Jimeacutenez 2003)
Los huevos pasan a la material fecal de la persona infectada y asiacute es como
llegan al agua residual contaminando suelos y en algunos casos contaminan
fuentes de agua potable (Brownell y Nelson 2006)
La reutilizacioacuten de agua en los paiacuteses desarrollados ha influenciado la
evolucioacuten del aumento sofisticacioacuten y meacutetodos costosos para tratamiento
deteccioacuten y anaacutelisis del agua residual Ya que una mala desinfeccioacuten de dicha
agua puede convertirla en una viacutea de transmisioacuten de enfermedades a las
personas que les llegue el agua Existen varios contratos destacados entre paiacuteses
4
desarrollados y paiacuteses en desarrollo en relacioacuten a la reutilizacioacuten de agua sin
embargo los paiacuteses en desarrollo no cuentan con la tecnologiacutea que cuentan los
paiacuteses desarrollados En consecuencia es mas frecuente encontrar estos huevos
contaminando las aguas de los paiacuteses en desarrollo provocando que los
porcentajes de enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua sean
mayores en estos lugares (Jimeacutenez 2003)
Los huevos de helmintos estaacuten bien adaptados para sobrevivir en
tratamientos de agua en algunos casos al puerto en sistemas de distribucioacuten y
tambieacuten en emerger vivos de las coladeras domeacutesticas (Campos 2008)
113 Efectos producidos por infeccioacuten con helminto s
Las infecciones de los helmintos como ascariasis llevan a incapacidades fiacutesicas y
mentales incluyendo impedimentos cognoscitivos y sociales maacutes alta
susceptibilidad a la infeccioacuten disminucioacuten de respuesta a las vacunas y
desnutricioacuten lo que deteriora al desarrollo de varios cientos de millones de nintildeos
en paiacuteses en desarrollo (Brownell y Nelson 2006)
Los paraacutesitos intestinales causan anemia desnutricioacuten pueden retardar el
crecimiento y otras enfermedades como lo muestran las tablas 2 y 3 En el mundo
desarrollado la motivacioacuten principal para reutilizacioacuten de agua residual ha sido
una escasez de agua que es por lo que hay casos de reutilizacioacuten indirecta (no
intencional por supuesto) para consumo humano que no estaacute sujeta a estaacutendares
disentildeados para minimizarlos riesgos de salud (Jimeacutenez 2003)
La praacutectica de reutilizacioacuten indirecta intencional en paiacuteses en desarrollo es
responsable por aproximadamente 4 billones de casos de diarrea diaria que
causan 22 millones de muertes al antildeo principalmente en nintildeos menores de cinco
antildeos Estas cifras significan la muerte de un nintildeo cada 15 segundos y representa
15 de todas las muertes en paiacuteses en desarrollo que es lo contrario en paiacuteses
(Jimeacutenez 2003)
Enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua a nivel mundial e
infecciones relacionadas con la sanidad son unas de las mayores contribuciones
5
de enfermedades mortales La carga principal de enfermedades que cae en esta
categoriacutea se da en las sociedades maacutes pobres y en nintildeos que no llegan a los
cinco antildeos Muchas diferentes enfermedades virales bacteriales y de paraacutesitos se
asocian a las enfermedades provocadas por contaminacioacuten del agua Algunas
enfermedades han sido esparcidas por el agua potable y otras por el contacto con
agua recreacional (Hunter 2003) como lo muestra la Tabla 2
Tabla 2 Enfermedades que causan los helmintos las viacuteas de transicioacuten y sus caracteriacutesticas quiacutemicas
Helmintos Enfermedad Transmisioacuten Caracteriacutesticas
cliacutenicas
Schistosoma spp Schistosomaisis
Contacto con la
superficie del agua
contaminada
Dantildeo en intestino y
viacutea urinaria caacutencer
Dracunculus
medinensis Dracunculiasis Ingerir el agua
Uacutelceras dolorosas
en los rintildeones y
pies
(Hunter 2003)
Tabla 3 Lista de agentes que causan enfermedades debido al agua contaminada
Agente Enfermedad
Ancylostoma duodenale Anaemia ancylostomiasis
Ascaris lumbricoides Ascariasis
Echinococcus granulosis Hyadatidosis
Enterobius vermicularis Enterobiasis
Necator americanus Anaemia
Schistosoma spp Schistosomiasis
Strongyloides stercoralis Diarrea dolor abdominal nauseas
strongylodiasis
Taenia solium Taenisis cysticercosis
Trichuris trichiura Diarrea
Toxocara Fiebre dolor abdominal nauseas
(Jimeacutenez 2003)
6
114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
3
pueden presentar varios estadios muy diferenciados entre siacute en uno o diversos
hueacutespedes intermediarios hasta transformarse en adultos (helmintos 2008 3)
Los Helmintos son organismos multicelulares La larva viva tal como la
encontramos usualmente no es patoacutegena el estadio maacutes infectivo y resistente a
los procesos convencionales de desinfeccioacuten es durante la forma de huevo
(Campos 2008)
112 Fuentes de infeccioacuten y rutas de dispersioacuten
La contaminacioacuten en agua y los desechos fecales son las principales causas de
enfermedades a nivel mundial incluso en sociedades industrializadas que ya
cuentan con sofisticada tecnologiacutea para tratamiento de agua En paiacuteses menos
desarrollados la carga excesiva de diarrea es probable que refleje muacuteltiples
maneras de transmisioacuten de patoacutegenos La exposicioacuten global a contaminacioacuten fecal
est+a en aumento como resultado al crecimiento poblacional fuerzas impulsoras
de economiacutea e instituciones deacutebiles (Cifuentes et al 2004)
Los Helmintos normalmente no se transmiten faacutecilmente en el agua
potable pero se considera aquiacute debido a su alta incidencia y los problemas que
potencialmente podriacutea causar a las fuentes de agua potable particularmente en
paiacuteses con una red sanitaria pobre Asiacute mismo en sitios como la laguna de
Tamiahua es importante considerar tambieacuten la posibilidad de su dispersioacuten como
resultado del uso recreativo con contacto primario que tiene el embalse y que
puede ser un foco de contaminacioacuten importante (Jimeacutenez 2003)
Los huevos pasan a la material fecal de la persona infectada y asiacute es como
llegan al agua residual contaminando suelos y en algunos casos contaminan
fuentes de agua potable (Brownell y Nelson 2006)
La reutilizacioacuten de agua en los paiacuteses desarrollados ha influenciado la
evolucioacuten del aumento sofisticacioacuten y meacutetodos costosos para tratamiento
deteccioacuten y anaacutelisis del agua residual Ya que una mala desinfeccioacuten de dicha
agua puede convertirla en una viacutea de transmisioacuten de enfermedades a las
personas que les llegue el agua Existen varios contratos destacados entre paiacuteses
4
desarrollados y paiacuteses en desarrollo en relacioacuten a la reutilizacioacuten de agua sin
embargo los paiacuteses en desarrollo no cuentan con la tecnologiacutea que cuentan los
paiacuteses desarrollados En consecuencia es mas frecuente encontrar estos huevos
contaminando las aguas de los paiacuteses en desarrollo provocando que los
porcentajes de enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua sean
mayores en estos lugares (Jimeacutenez 2003)
Los huevos de helmintos estaacuten bien adaptados para sobrevivir en
tratamientos de agua en algunos casos al puerto en sistemas de distribucioacuten y
tambieacuten en emerger vivos de las coladeras domeacutesticas (Campos 2008)
113 Efectos producidos por infeccioacuten con helminto s
Las infecciones de los helmintos como ascariasis llevan a incapacidades fiacutesicas y
mentales incluyendo impedimentos cognoscitivos y sociales maacutes alta
susceptibilidad a la infeccioacuten disminucioacuten de respuesta a las vacunas y
desnutricioacuten lo que deteriora al desarrollo de varios cientos de millones de nintildeos
en paiacuteses en desarrollo (Brownell y Nelson 2006)
Los paraacutesitos intestinales causan anemia desnutricioacuten pueden retardar el
crecimiento y otras enfermedades como lo muestran las tablas 2 y 3 En el mundo
desarrollado la motivacioacuten principal para reutilizacioacuten de agua residual ha sido
una escasez de agua que es por lo que hay casos de reutilizacioacuten indirecta (no
intencional por supuesto) para consumo humano que no estaacute sujeta a estaacutendares
disentildeados para minimizarlos riesgos de salud (Jimeacutenez 2003)
La praacutectica de reutilizacioacuten indirecta intencional en paiacuteses en desarrollo es
responsable por aproximadamente 4 billones de casos de diarrea diaria que
causan 22 millones de muertes al antildeo principalmente en nintildeos menores de cinco
antildeos Estas cifras significan la muerte de un nintildeo cada 15 segundos y representa
15 de todas las muertes en paiacuteses en desarrollo que es lo contrario en paiacuteses
(Jimeacutenez 2003)
Enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua a nivel mundial e
infecciones relacionadas con la sanidad son unas de las mayores contribuciones
5
de enfermedades mortales La carga principal de enfermedades que cae en esta
categoriacutea se da en las sociedades maacutes pobres y en nintildeos que no llegan a los
cinco antildeos Muchas diferentes enfermedades virales bacteriales y de paraacutesitos se
asocian a las enfermedades provocadas por contaminacioacuten del agua Algunas
enfermedades han sido esparcidas por el agua potable y otras por el contacto con
agua recreacional (Hunter 2003) como lo muestra la Tabla 2
Tabla 2 Enfermedades que causan los helmintos las viacuteas de transicioacuten y sus caracteriacutesticas quiacutemicas
Helmintos Enfermedad Transmisioacuten Caracteriacutesticas
cliacutenicas
Schistosoma spp Schistosomaisis
Contacto con la
superficie del agua
contaminada
Dantildeo en intestino y
viacutea urinaria caacutencer
Dracunculus
medinensis Dracunculiasis Ingerir el agua
Uacutelceras dolorosas
en los rintildeones y
pies
(Hunter 2003)
Tabla 3 Lista de agentes que causan enfermedades debido al agua contaminada
Agente Enfermedad
Ancylostoma duodenale Anaemia ancylostomiasis
Ascaris lumbricoides Ascariasis
Echinococcus granulosis Hyadatidosis
Enterobius vermicularis Enterobiasis
Necator americanus Anaemia
Schistosoma spp Schistosomiasis
Strongyloides stercoralis Diarrea dolor abdominal nauseas
strongylodiasis
Taenia solium Taenisis cysticercosis
Trichuris trichiura Diarrea
Toxocara Fiebre dolor abdominal nauseas
(Jimeacutenez 2003)
6
114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
4
desarrollados y paiacuteses en desarrollo en relacioacuten a la reutilizacioacuten de agua sin
embargo los paiacuteses en desarrollo no cuentan con la tecnologiacutea que cuentan los
paiacuteses desarrollados En consecuencia es mas frecuente encontrar estos huevos
contaminando las aguas de los paiacuteses en desarrollo provocando que los
porcentajes de enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua sean
mayores en estos lugares (Jimeacutenez 2003)
Los huevos de helmintos estaacuten bien adaptados para sobrevivir en
tratamientos de agua en algunos casos al puerto en sistemas de distribucioacuten y
tambieacuten en emerger vivos de las coladeras domeacutesticas (Campos 2008)
113 Efectos producidos por infeccioacuten con helminto s
Las infecciones de los helmintos como ascariasis llevan a incapacidades fiacutesicas y
mentales incluyendo impedimentos cognoscitivos y sociales maacutes alta
susceptibilidad a la infeccioacuten disminucioacuten de respuesta a las vacunas y
desnutricioacuten lo que deteriora al desarrollo de varios cientos de millones de nintildeos
en paiacuteses en desarrollo (Brownell y Nelson 2006)
Los paraacutesitos intestinales causan anemia desnutricioacuten pueden retardar el
crecimiento y otras enfermedades como lo muestran las tablas 2 y 3 En el mundo
desarrollado la motivacioacuten principal para reutilizacioacuten de agua residual ha sido
una escasez de agua que es por lo que hay casos de reutilizacioacuten indirecta (no
intencional por supuesto) para consumo humano que no estaacute sujeta a estaacutendares
disentildeados para minimizarlos riesgos de salud (Jimeacutenez 2003)
La praacutectica de reutilizacioacuten indirecta intencional en paiacuteses en desarrollo es
responsable por aproximadamente 4 billones de casos de diarrea diaria que
causan 22 millones de muertes al antildeo principalmente en nintildeos menores de cinco
antildeos Estas cifras significan la muerte de un nintildeo cada 15 segundos y representa
15 de todas las muertes en paiacuteses en desarrollo que es lo contrario en paiacuteses
(Jimeacutenez 2003)
Enfermedades provocadas por contaminacioacuten de agua a nivel mundial e
infecciones relacionadas con la sanidad son unas de las mayores contribuciones
5
de enfermedades mortales La carga principal de enfermedades que cae en esta
categoriacutea se da en las sociedades maacutes pobres y en nintildeos que no llegan a los
cinco antildeos Muchas diferentes enfermedades virales bacteriales y de paraacutesitos se
asocian a las enfermedades provocadas por contaminacioacuten del agua Algunas
enfermedades han sido esparcidas por el agua potable y otras por el contacto con
agua recreacional (Hunter 2003) como lo muestra la Tabla 2
Tabla 2 Enfermedades que causan los helmintos las viacuteas de transicioacuten y sus caracteriacutesticas quiacutemicas
Helmintos Enfermedad Transmisioacuten Caracteriacutesticas
cliacutenicas
Schistosoma spp Schistosomaisis
Contacto con la
superficie del agua
contaminada
Dantildeo en intestino y
viacutea urinaria caacutencer
Dracunculus
medinensis Dracunculiasis Ingerir el agua
Uacutelceras dolorosas
en los rintildeones y
pies
(Hunter 2003)
Tabla 3 Lista de agentes que causan enfermedades debido al agua contaminada
Agente Enfermedad
Ancylostoma duodenale Anaemia ancylostomiasis
Ascaris lumbricoides Ascariasis
Echinococcus granulosis Hyadatidosis
Enterobius vermicularis Enterobiasis
Necator americanus Anaemia
Schistosoma spp Schistosomiasis
Strongyloides stercoralis Diarrea dolor abdominal nauseas
strongylodiasis
Taenia solium Taenisis cysticercosis
Trichuris trichiura Diarrea
Toxocara Fiebre dolor abdominal nauseas
(Jimeacutenez 2003)
6
114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
5
de enfermedades mortales La carga principal de enfermedades que cae en esta
categoriacutea se da en las sociedades maacutes pobres y en nintildeos que no llegan a los
cinco antildeos Muchas diferentes enfermedades virales bacteriales y de paraacutesitos se
asocian a las enfermedades provocadas por contaminacioacuten del agua Algunas
enfermedades han sido esparcidas por el agua potable y otras por el contacto con
agua recreacional (Hunter 2003) como lo muestra la Tabla 2
Tabla 2 Enfermedades que causan los helmintos las viacuteas de transicioacuten y sus caracteriacutesticas quiacutemicas
Helmintos Enfermedad Transmisioacuten Caracteriacutesticas
cliacutenicas
Schistosoma spp Schistosomaisis
Contacto con la
superficie del agua
contaminada
Dantildeo en intestino y
viacutea urinaria caacutencer
Dracunculus
medinensis Dracunculiasis Ingerir el agua
Uacutelceras dolorosas
en los rintildeones y
pies
(Hunter 2003)
Tabla 3 Lista de agentes que causan enfermedades debido al agua contaminada
Agente Enfermedad
Ancylostoma duodenale Anaemia ancylostomiasis
Ascaris lumbricoides Ascariasis
Echinococcus granulosis Hyadatidosis
Enterobius vermicularis Enterobiasis
Necator americanus Anaemia
Schistosoma spp Schistosomiasis
Strongyloides stercoralis Diarrea dolor abdominal nauseas
strongylodiasis
Taenia solium Taenisis cysticercosis
Trichuris trichiura Diarrea
Toxocara Fiebre dolor abdominal nauseas
(Jimeacutenez 2003)
6
114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
6
114 Grupos vulnerables a estas enfermedades
Las enfermedades parasitarias descuidadas resultan en una elevada carga
financiera a los individuos las familias la comunidad al paiacutes e incluso a la regioacuten
retrasando su desarrollo Seguacuten Ehrenberg et al (2005) a finales de los 70s 4
millones de doacutelares estadounidenses se perdieron anualmente por personas
infectadas con Ascaris lumbricoides
Las enfermedades parasitarias (ya sea por comida agua o transmisioacuten del
suelo) tienden a afectar ciertos grupos vulnerables tales como nintildeos en edad de ir
a la escuela las mujeres que estaacuten en edad de tener hijos o personas en edad de
trabajar (hombre o mujer) Por ejemplo los trabajadores pobres con filariasis
linfaacutetica croacutenica en Orissa India pierden un promedio de 68 diacuteas laborables en el
antildeo (el 19 de su antildeo laboral) y gastan un promedio de US$870 en el antildeo para
el tratamiento de su condicioacuten mucho maacutes que el gasto per capita de lo que gasta
de la salud de los Servicios Nacionales de Salud (Ehrenberg y Ault 2005)
Otros grupos vulnerables en la sociedad tal como poblaciones indiacutegenas y
grupos de minoriacuteas eacutetnicas infantes y nintildeos en edad preescolar aquellos con
limitaciones mentales y las personas inmuno comprometidas como lo son
aquellas que tienen VIHSIDA pueden ser afectadas con ciertas enfermedades
parasitas y otras transmisibles Las poblaciones adicionales de alto riesgo a
menudo incluyen personas que viven en condiciones pobres y son trabajadores
migrantes y aquellos que viven en campos agricultores de labor o plantaciones
(Ehrenberg et al 2005)
En Meacutexico hay muchos grupos vulnerables a enfermedades relacionadas
con la contaminacioacuten de agua residual por lo que eacutestas son consideradas un
problema importante ya que en varias localidades utilizan esta agua como aguas
de riego lo que provoca que un gran nuacutemero de personas contraiga
enfermedades (Guzmaacuten et al 2006)
115 Desactivacioacuten de huevos de helminto
Los meacutetodos comunes para la desactivacioacuten de huevecillos de Aacutescaris en lodos y
materia fecal emplean altas temperaturas alto pH oacute ambas Otras condiciones
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
7
temperaturas menores a los 40 ordmC usualmente no son efectivas al desactivar
huevecillos de Aacutescaris excepto en periodos de tiempo muy largos Durante la
degradacioacuten bioloacutegica como la digestioacuten aeroacutebica o anaeroacutebica varios factores
pueden afectar el grado de desactivacioacuten de los huevos de helminto Sin
embargo la temperatura sigue siendo el factor principal Asiacute en temperaturas
mesofiacutelicas (lt40 degC) la digestioacuten aeroacutebica como la anaeroacutebica soacutelo son
parcialmente efectivas para la desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris Esta digestioacuten
puede hacer inactivo los huevos bajo liacutemites perceptibles considerando digestioacuten
a temperaturas termoacutefilicas (gt50 degC) puede desactiv ar huevos por debajo de los
limites detectables (Pecson y Nelson 2005)
La desactivacioacuten de huevos de Aacutescaris tambieacuten se puede lograr por
estabilizacioacuten alcalina la cual estaacute definida como el almacenaje de lodos o heces
a pH alto Un nuacutemero de paraacutemetros operativos influyen la eficiencia del
tratamiento alcalino incluyendo pH temperatura el tipo y cantidad de cal para
abonar antildeadida y la duracioacuten del almacenaje Los tiempos reportados necesarios
para lograr altos niveles de desactivacioacuten (gt95) variacutea ampliamente en la
literatura yendo desde 2 horas hasta 180 diacuteas (12 15 17-20) Las razones de
esta variabilidad normalmente no son claras (Pecson y Nelson 2005)
Los huevos de Aacutescaris tienen de 3 a 4 peliacuteculas que conforman el
caparazoacuten entero Este caparazoacuten consiste entonces en una capa de lipoproteiacutena
otra de quitina una capa de lipoproteiacutena y una capa externa de aacutecido
mucopolisacaacuterido La capa interna de lipoproteiacutena consiste de mezcla de 25
proteiacutena y 75 liacutepido que es responsable de la impermeabilidad del cascaroacuten La
capa de quitina que provee fuerza estructural contiene aguas de quitina en una
matriz proteiacutenica La composicioacuten de capas de vitelina y uterinas no estaacuten bien
caracterizadas pero las dos contienen proteiacutenas Las otras tres capas pueden ser
removidas por impregnacioacuten en el huevo en una solucioacuten de hipoclorito dejando
soacutelo la capa interna de lipoproteiacutena este proceso se llama decorticacioacuten (Brownell
y Nelson 2006)
Estas caracteriacutesticas los hacen maacutes resistentes que otros patoacutegenos
relacionados con el agua para muchos tipos de procesos de desactivacioacuten una
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
8
excepcioacuten son algunos virus y endoesporas bacteriales que son muy resistentes a
condiciones extremas de tratamiento Los huevos de Aacutescaris pueden ser
inactivados en minutos por temperaturas por encima de los 60ordmC pero son
capaces de sobrevivir por maacutes de un antildeo a 40ordmC La desinfeccioacuten con cloro como
se aplica comuacutenmente es inefectiva La impermeabilidad de la capa interna
tambieacuten protege el huevo de una variedad de aacutecidos fuertes bases fuertes
oxidantes y reductores A pesar de que el uso de desinfeccioacuten UV se estaacute
convirtiendo en algo maacutes comuacuten en sistemas de tratamientos de agua residual y
potable el efecto de la radiacioacuten UV en huevos de Aacutescaris todaviacutea no han sido
estudiados (Brownell y Nelson 2006)
116 Helmintos como indicadores de contaminacioacuten f ecal
El control de la calidad microbioloacutegica del agua de consumo requiere una serie de
anaacutelisis dirigidos a determinar la presencia de microorganismos patoacutegenos El
diagnoacutestico de estos microorganismos requiere de laboratorios especializados y
representa varios diacuteas de anaacutelisis y costos elevados Como alternativa a estos
inconvenientes se ha propuesto el uso de indicadores microbianos que se
puedan identificar mediante el uso de meacutetodos sencillos raacutepidos y econoacutemicos
(Campos 2008)
Los microorganismos indicadores son aquellos que tienen un
comportamiento similar a los patoacutegenos (concentracioacuten y reaccioacuten frente a
factores ambientales y barreras artificiales) pero son maacutes raacutepidos econoacutemicos y
faacuteciles de identificar Una vez se ha evidenciado la presencia de grupos
indicadores se puede inferir que los patoacutegenos se encuentran presentes en la
misma concentracioacuten y que su comportamiento frente a diferentes factores como
pH temperatura presencia de nutrientes tiempo de retencioacuten hidraacuteulica o
sistemas de desinfeccioacuten es similar a la del indicador (Red Iberoamericana de
Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del agua 2008)
Un microorganismo indicador de contaminacioacuten fecal debe reunir las
siguientes caracteriacutesticas (Red Iberoamericana de Potabilizacioacuten y Depuracioacuten del
agua 2008)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
9
- Ser un constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos
- Estar presente de forma exclusiva en las heces de animales homeoteacutermicos
- Estar presente cuando los microorganismos patoacutegenos intestinales lo estaacuten
- Presentarse en nuacutemero elevado facilitando su aislamiento e identificacioacuten
- Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeoteacutermicos
- Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las bacterias
patoacutegenas (su resistencia a los factores ambientales debe ser igual o superior al
de los patoacutegenos de origen fecal)
12 Procesos avanzados de oxidacioacuten
Son considerados como un tipo de tratamiento avanzado que involucra
reacciones de oacutexido-reduccioacuten lo cual quiere decir que una especie pierde
electrones por lo tanto es oxidada mientras otra gana electrones es reducida
dando lugar a la generacioacuten de radicales hidroxilo (bullOH) que atacan y degradan
las sustancias orgaacutenicas (Eckenfelder et al 1991) Se ha recurrido a este tipo de
tecnologiacuteas cuando no se alcanza la pureza necesaria por tratamientos
bioloacutegicos o quiacutemicos como es el caso de las aguas residuales municipales que
suelen ser reutilizadas en la agricultura (Pontius 1990)
Los procesos avanzados de oxidacioacuten son una serie de meacutetodos que
producen radicales de oxidacioacuten para degradar moleacuteculas persistentes y pueden
ser divididas en dos 1) meacutetodos que no usan radiacioacuten (no fotoquiacutemicos) y 2)
meacutetodos que usan radiacioacuten (fotoquiacutemicos)
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten
Procesos no fotoquiacutemicos Procesos fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten (medio alcalino) O3OH- Fotolisis directa
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
(O3H2O2)
Fotolisis del H2O en el UV de vaciacuteo
(UVV)
Procesos Fenton (Fe2+H2O2) UVperoacutexido de hidroacutegeno
Oxidacioacuten electroquiacutemica UVozono
Prisma no teacutermico Foto-Fenton
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
10
Tabla 4 Clasificacioacuten de los procesos avanzados de oxidacioacuten Tratamiento con haces de electrones Fotocataacutelisis heterogeacutenea
(Domegravenech et al2004)
De acuerdo a Blesa y Blanco (2005) los Aplicaciones de los PAO
bull Son utilizados como pretratamiento antes de un tratamiento bioloacutegico para
contaminantes que son resistentes a la biodegradacioacuten o como
postratamiento generalmente de desinfeccioacuten
bull Para la degradacioacuten de contaminantes quiacutemicos como los plaguicidas
fenoles e hidrocarburos entre otros
bull Ayudan al control de las algas y otras formas de crecimiento bioloacutegico
bull Son importantes en industrias para eliminar el color y en el control del olor
bull Para la reduccioacuten de contaminantes orgaacutenicos especiacuteficos
bull Se emplean en la desactivacioacuten de microorganismos como bacterias y
virus
Los PAO usan los radicales bullOH como su herramienta principal en la
subdivisioacuten de moleacuteculas recalcitrantes El potencial de oxidacioacuten es una medida
del voltaje la cual los electrones fuera de un sistema tendriacutean que ser expuestos
para igualar la energiacutea electroquiacutemica por mol que los electrones tienen en el
sistema de intereacutes (Benjamin 2002) Asiacute este paraacutemetro es una valoracioacuten de la
energiacutea de la especie quiacutemica expresada en voltios El radical hidroxilo tiene el
segundo mayor potencial redox (280 V a 25degC) (aunq ue Bard (1985) reportoacute a
238 V y Stanbury (1989) a 272 V) siendo el fluacuteor el maacutes potente (303 V at 25degC)
y sobre la segunda opcioacuten para la oxidacioacuten O3 (207 V a 25degC) De esta forma
esta especie puede atacar la mayoriacutea de los compuestos orgaacutenicos y reacciona
106-1012 veces maacutes raacutepidamente que el ozono Para ser eficientes los PAO
deben generar altas concentraciones de radicales bullOH en estado estacionario
(Domegravenech et al 2004)
Algunos PAO (Fotocataacutelisis heterogeacutenea o radioacutelisis) utilizan los reductores
quiacutemicos para especies como los iones metaacutelicos o los compuestos halogenados
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
11
Muchos de los productos mineralizados por los PAO son toacutexicos a los
microorganismos lo que hace a estos procesos convenientes para el tratamiento
previo del agua que se puede tratar luego por tecnologiacuteas bioloacutegicas
convencionales (Domegravenech et al 2004)
121 Procesos no fotoquiacutemicos
Ozonizacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno (O 3H2O2)
El ozono es un oxidante de gran alcance y es la cuarta especie maacutes reactiva en
la lista de sistemas oxidantes (Domegravenech et al 2004) Tiene caracteriacutesticas
bactericidas y es de uso general para la desinfeccioacuten del agua potable El ozono
puede ser formado en sitio suministrando la corriente eleacutectrica al oxiacutegeno y es una
especie considerablemente inestable Puesto que O3 es un gas disuelto las
resistencias de transferencia total deben ser conocidas para estimar la eficiencia
de proceso de tratamiento Utilizado con el peroacutexido de hidroacutegeno la energiacutea
oxidante combinada puede dar lugar a la mineralizacioacuten raacutepida de compuestos
Es un proceso costoso pero puede tratar los compuestos orgaacutenicos muy diluidos
Trabaja bien en un rango de pH entre 7-8 y la relacioacuten molar oacuteptima O3H2O2 es
21 (Domegravenech et al 2004) La ozonizacioacuten de compuestos orgaacutenicos puede
pasar a traveacutes de dos tipos de caminos de reacciones moleculares del ozono
(ozonoacutelisis) o de reacciones radicales de hidroacutexilo La trayectoria tomada por la
reaccioacuten depende del pH En el pH bajo se favorece la ozonoacutelisis mientras que
para pH gt 8 las moleacuteculas de ozono se descomponen en los radicales libres los
O2- y el HO2 que de regreso producen el radical de hidroacutexido (OH) (Ikehata y El-
Din 2005) La ecuacioacuten general propuesta para este tipo de reacciones es
O3 + H2O2 - OH +O2+ HO2 (1-1)
Hay equipos comerciales disponibles que utilizan esta tecnologiacutea
convenientes para el tratamiento de agua con alta turbiedad donde la radiacioacuten
seriacutea impedida
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
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122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
12
Proceso Fenton
El proceso de Fenton es una teacutecnica uacutetil para tratar aguas residuales con alta
concentracioacuten de compuestos recalcitrantes debido a su eficacia en producir
radicales de hidroacutexido Se basa en el acoplador de un metal de transicioacuten con un
oxidante Fenton junta el hierro (II) con el peroacutexido de hidroacutegeno Diversos
trabajos reportados en la literatura (Domegravenech et al 2004) sugieren que OH se
forma a traveacutes de la siguiente reaccioacuten
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
El radical de hidroacutexido puede entonces reaccionar con uno de dos caminos
oxidacioacuten de Fe (II) o el ataque de materia orgaacutenica El proceso se limita a pH
entre 3 y 5 y causa un poco de lodo del hierro que necesita post-tratamiento
(Jeong y Yoon 2005)
Pignatello (1992) describioacute las reacciones que permiten la regeneracioacuten de
Fe2+ La especie oxidada (Fe3+) actuacutea como catalizador para la descomposicioacuten
del peroacutexido O2 y H2O regenerando Fe2+ para la reaccioacuten continuacutea de Fenton
Fe3++ H2O2 H+ Fe-O2H
2++H+ (1-3)
Fe-O2H2+ Fe2++HO2 (1-4)
Fe2++HO2 Fe3++HO2- (1-5)
Fe3++HO2 Fe2++ H++ O2 (1-6)
OH + H2O2 H2O + HO2 (1-7)
Cuando se utiliza H2O2 en exceso el Fe2+ se encuentra en una
concentracioacuten maacutes baja que Fe3+ puesto que la reaccioacuten (1-5) es maacutes lenta que la
reaccioacuten (1-2) (Pignatello 1992)
Hay sin embargo otros compuestos que se utilizan como el metal y
oxidantes de transicioacuten Anipitakis y Dionysiou (2004) divulgaron la prueba de Ag
(I) Ce (III) Co (II) Fe (II) Fe (III) Mn (II) Ni (II) Ru (III) y V (III) en combinacioacuten
con tres oxidantes peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) peroximonosulfato de potasio
(KHSO5) y persulfato de potasio (K2S2O8) Estos autores concluyeron que los
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
13
metales maacutes eficientes para la activacioacuten de cada oxidante son Fe (II) y Fe (III)
para H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag (I) para K2S2O8 Las reacciones referentes a
los sistemas Co-KHSO5 y Ag-K2S2O8 se presentan H2O2 Co (II) para KHSO5 y Ag
(I) para K2S2O8
Co2++ HSO5- Co3++ SO4
-+ OH- (1-8)
Ag++ S2O82- Ag2++ SO4
-+ SO42- (1-9)
El sistema Co-KHSO5 funciona bien en una gama maacutes amplia del pH (de 2
a 8) mientras que el Ag-K2S2O8 necesita trabajar bajo pH de 3 para evitar la
formacioacuten metaacutelica de la precipitacioacuten y del lodo (Anipsitakis et al 2004) Los
autores divulgaron que el radical SO4- tiene una energiacutea oxidante maacutes fuerte que
el radical HO en pH elevado (gt 5) con un potencial redox entre 25 y 31 V
Oxidacioacuten electroquiacutemica
Aplicando electricidad al agua es posible formar el radical hidroxilo el cual pude
despueacutes oxidar material orgaacutenica Domegravenech et al (2004) presentan dos
ecuaciones que describen el proceso
H2O HO + H++ e- (1-10)
O2+ 2H++ 2e- H2O2 (1-11)
La electricidad sugerida para llevar a cabo el proceso es entre 2 y 20
(Domegravenech et al 2004) y el material para los electrodos determina la tasa de
produccioacuten de bullOH Quiroz et al (2005) reportaron que dependiendo del material
de los electrodos el mecanismo de oxidacioacuten procede a traveacutes ya sea de la
introduccioacuten preliminar de oxiacutegeno dentro del enrejado del oacutexido la cual resulta en
un cambio del estado de oxidacioacuten del metal (electrones IrO2 y RuO2) o la
combustioacuten electromecaacutenica que produce CO2 por una superficie directa de
oxidacioacuten de los compuestos orgaacutenicos (aacutenodos SnO2 y PbO2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
14
122 Procesos fotoquiacutemicos
UV peroacutexido de hidroacutegeno (H 2O2)
En sistemas donde un oxidante fuerte es expuesto a radiacioacuten el principio es que
la energiacutea de la radiacioacuten es suficientemente fuerte como para romper las uniones
entre moleacuteculas y asiacute generar radicales Los oxidantes utilizados deben ser
fotosensibles para que ocurra esta degradacioacuten Domegravenech et al (2004) propuso
propuesto las siguientes ecuaciones describiendo la ruptura de H2O2 con una
longitud de onda de 254 nm
H2O2 + hν 2HO (1-12)
La fotoacutelisis de peroacutexido de hidroacutegeno se logra usando laacutemparas de vapor
de mercurio de baja presioacuten Generalmente laacutemparas de λ=254 nm son usadas
para que ocurra un maacuteximo de absorcioacuten de H2O2 la absorcioacuten ocurre a λ=220
nm Cuando hay exceso de peroacutexido y altas concentraciones de OH hay
reacciones que compiten entre OH que puede bajar la eficacia total (Domegravenech
et al 2004)
Fotocataacutelisis heterogeacutenea
La fotocataacutelisis se define como la aceleracioacuten de una fotorreaccioacuten por la
presencia de un catalizador Por otro lado la fotocataacutelisis ha sido vista como el
realce del proceso cataliacutetico por la exposicioacuten a la radiacioacuten Varios autores han
ensayado la diferencia en eficiencias en reacciones y velocidades en la oscuridad
y condiciones radioactivas En este sentido se tiene la oxidacioacuten foto-
electroquiacutemica (Enea et al 1999) los procesos Fenton y foto-Fenton (Anipsitakis
y Dionisyou 2003 Jeong y Yoon 2005 Pignatello 1992 Sun y Pignatello 1993)
foto-ozonacioacuten (Muumlller et al 1998) y H2O2UV (De Laat et al 1999)
En la Fotocataacutelisis heterogeacutenea el catalizador estaacute en otra fase
usualmente soacutelido La reaccioacuten quiacutemica es entonces un fenoacutemeno superficial y
los mecanismos de adsorcioacuten y el aacuterea de la superficie se convierten en
paraacutemetros importantes Los catalizadores usados son oacutexidos metaacutelicos
semiconductores o sales y pocas han sido encontradas uacutetiles con laacutemparas UV o
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
15
condiciones solares Cada catalizador tiene sus propias caracteriacutesticas y rangos
de operacioacuten y la seleccioacuten depende de la fuente de radiacioacuten y componente
orgaacutenico a degradar (Moreno 2005) El catalizador maacutes estudiado es el dioacutexido
de titanio un polvo fino y ha sido usado en sistemas en suspensioacuten formando dos
fases
Cuando un semiconductor es excitado con radiacioacuten de longitudes de onda
corta se forman pares de portadores de carga Estos pueden recombinar
(liberando calor) o migrar a la superficie del semiconductor donde ellos pueden
experimentar las reacciones redox con moleacuteculas e iones cerca de la superficie
Los huecos cargados positivamente reaccionan a gran velocidad con agua para
producir radicales hidroxilo que en regreso atacan moleacuteculas orgaacutenicas Las
siguientes ecuaciones resumen el proceso TiO2 que se experimenta en la
produccioacuten de OH (Halmann 1996)
TiO2+hν e- + h+ (1-13)
h++ H2O H++OH (1-14)
h++ OH- OH (1-15)
Turchi y Ollis (1990) propusieron cuatro posibles mecanismos generales
para la fotodegradacioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por el TiO2 radiado y acuoso
1) Entre los radicales OH y las moleacuteculas orgaacutenicas son absorbidas en la
superficie TiO2
2) Entre la adsorcioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas y un no liacutemite del radical OH (libre
en solucioacuten)
3) Entre la adsorcioacuten de radicales OH y una moleacutecula orgaacutenica libre golpeando la
superficie del catalizador
4) Entre un radical OH libre y una moleacutecula orgaacutenica en solucioacuten
Foto-Fenton y procesos relacionados
Recordando la ecuacioacuten baacutesica del proceso Fenton
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
16
Fe2+ +H2O2 Fe3+ +HO-+HO (1-2)
Esta ecuacioacuten propone que el hierro (II) se oxida hasta hierro (III) en
presencia de peroacutexido de hidroacutegeno produciendo radicales hidroxilo Otro paso
importante en el proceso Fenton es la regeneracioacuten del hierro (II) a traveacutes de las
ecuaciones 1-2 a 1-6 resumido como
Fe3++H2O2 Fe2+HO2+H+ (1-16)
Esta regeneracioacuten es lenta y el uso de radiacioacuten incrementa la velocidad de
la reaccioacuten de la siguiente manera
Fe3+(OH)2++hν Fe2++ OH (1-17)
La razoacuten para incrementar la velocidad es que el Fe(OH)2+ el principal
disolvente en agua es fotosensible y absorbe luz en longitudes de onda de entre
350 y 500 nm (Anipitakis y Dionysiou 2004)
El realce de la velocidad de reaccioacuten parece ser comparable a otros
sistemas tipo Fenton Anipitakis y Dionysiou (2004) reportaron que en la
degradacioacuten de 24-dichlorophenol UVCoKHSO5 fue dos veces maacutes raacutepida que
CoKHSO5 y para UVAgK2S2O8 la degradacioacuten completa se logroacute despueacutes de
una hora mientras que AgK2S2O8 solo pudo conseguir 12 de degradacioacuten
13 Paraacutemetros de escalamiento
Los paraacutemetros de escalamiento sirven para dimensionar prototipos a partir de
datos experimentales obtenidos en modelos De esta manera se realizan varias
pruebas controladas en laboratorio hasta obtener el resultado deseado con
pequentildeas cantidades de los elementos que conforman las expresiones
matemaacuteticas Posteriormente se utilizan estas expresiones matematicas usando
como constante una variable encontrada con las operaciones realizadas la
primera vez cambiando los valores de las demaacutes variables usando valores a gran
escala Esto permite implementar los resultados encontrados en el laboratorio a
un problema de mayor magnitud en la vida real
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
17
La fuente de energiacutea que usan los paraacutemetros de escalamiento en el caso
de los procesos avanzados de oxidacioacuten casi siempre es la energiacutea solar
Paraacutemetros de escalamiento con energiacutea solar
Para este tipo de escalamiento se puede usar el meacutetodo Foto-Fenton (300-
500nm) o la fotocataacutelisis heterogeacutenea (300-400nm) Para los procesos con
energiacutea solar el costo principal es el precio de los concentradores solares Se
divide en Aacuterea de concentracioacuten por masa (ACM) y Aacuterea de Concentracioacuten por
Orden (ACO) (Bandala et al 2007)
El ACM se define como el aacuterea de concentracioacuten requerida para causar la
degradacioacuten de una unidad de masa (eg 1 kilogramo o 1 g) de un contaminante
en agua contaminada en un tiempo t0 (hr) cuando la irradiacioacuten solar del incidente
es 1000 W m2 (Bandala et al 2007) La ecuacioacuten 1-18 muestra la foacutermula para
procesos en lote mientras que la ecuacioacuten 1-19 muestra la foacutermula para procesos
continuos
( )CfCiV
tEAA S
CM
1000sdotsdotsdot= (1-18)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
18
( )CfCiFM
EAA S
CM sdotsdot= (1-19)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
M = masa molar (gmol)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
El ACO es el aacuterea de concentracioacuten requerida para reducir la concentracioacuten
de un contaminante en una unidad de volumen en un orden de magnitud en el
tiempo t0 (1h) cuando la radiacioacuten incidente es 1000 wm2 (Bandala et al 2007)
La ecuacioacuten 1-20 muestra la foacutermula para procesos en lote y la ecuacioacuten 1-21
muestra la foacutermula en procesos continuos
( )CfCiV
tEAA S
CO log
sdotsdot= (1-20)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
t = tiempo (hr)
V = volumen de aguan tratada (L)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
19
( )CfCiF
EAA S
CO log
sdot= (1-21)
Donde
A = aacuterea de concentracioacuten solar (m2)
SE = promedio de radiacioacuten solar (wm2)
F = flujo (m3h)
Ci = concentracioacuten inicial
Cf = concentracioacuten final
14 Ecuacioacuten de Bernoulli
El principio de Bernoulli en la figura 3 describe las diferentes formas de enregiacutea
que posee un fluido movieacutendose a lo largo de una liacutenea de corriente Fue expuesto
por Daniel Bernoulli y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento)
en reacutegimen de circulacioacuten por un conducto cerrado la energiacutea que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido (Streeter 1981)
La energiacutea de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
(Streeter 1981)
1- Cineacutetico es la energiacutea debida a la velocidad que posea el fluido
2- Potencial gravitacional es la energiacutea debido a la altitud que un fluido posea
3- Energiacutea de flujo es la energiacutea que un fluido contiene debido a la presioacuten que
posee
=++ zg
P
g
V
ρ2
2
CONSTANTE (1-22)
Donde
V = velocidad del fluido en la seccioacuten considerada (ms)
G = aceleracioacuten gravitatoria (981ms2)
z = altura en la direccioacuten de la gravedad desde una cota de referencia (m)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
20
P = presioacuten a lo largo de la liacutenea de corriente (Nm2)
ρ = densidad del fluido (kgm2)
Figura 2 Representacioacuten de los componentes de la Ecuacioacuten de Bernoulli (Hidrodinaacutemica
2008)
Sin embargo la forma maacutes general usada de la ecuacioacuten de Bernoulli es la
siguiente (Streeter 1981) la cual se ilustra en la figura 3
Lhzg
VPz
g
VP +++=++ 2
222
1
211
22 γγ (1-23)
Donde
P1= presioacuten en el punto 1 (Pa) P2= presioacuten en el punto 2 (Pa)
V1= velocidad en el punto1 (ms) V2= velocidad en el punto 2 (ms)
z1= altura en el punto 1 (m) z2= altura en el punto 2 (m)
γ = peso especifico (Nm3) Lh = perdidas por friccioacuten y menores
g= aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
21
Figura 3 Componentes de la ecuacioacuten de Bernoulli en una tuberiacutea (Elaboracioacuten
propia)
Las peacuterdidas en la ecuacioacuten de Bernoulli
El termino hL engloba las peacuterdidas por friccioacuten (hf) y las perdidas menores (hk)
(Streeter 1981) La foacutermula para el caacutelculo de las peacuterdidas en la ecuacioacuten de
Bernoulli es la siguiente
kfL hhh += (1-24)
Donde
hf = peacuterdidas por friccioacuten
hk= peacuterdidas menores
Las perdidas por friccioacuten son aquellas que se generan debido al roce del
liquido con la tuberiacutea y dependen precisamente del material con el que este hecha
la tuberiacutea Para calcular (hL) puede emplearse la ecuacioacuten de Dacy-Weisbach
g
V
D
Lfh f 2
22
= (1-25)
γ1p
γ2p
g
V
2
21
g
V
2
22
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
22
Donde
Para el caacutelculo del factor de friccioacuten (f) es necesario el caacutelculo del nuacutemero
de Reynolds y de la rugosidad relativa
Las peacuterdidas menores son aquellas ocasionadas por contracciones
expansiones cambios de direccioacuten por la entrada y la salida del flujo La foacutermula
para calcularlas es la siguiente
=sum g
Vkhk 2
22
(1-26)
Donde
Σk = sumatoria de coeficientes
V = velocidad de salida (ms)
G = gravedad (ms2)
f = factor de friccioacuten
L = longitud de la tuberiacutea (m)
D = diaacutemetro de la tuberiacutea (m)
V2= velocidad en el punto 2 (ms)
g = aceleracioacuten de la gravedad 981 (ms2)
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