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ARTICULOS
Resumen
El aprovechamiento como tecnología
ambiental del fenómeno de cavitación
ha abierto en los últimos años nuevos alternativas para el tratamiento de efluentes, especialmente los de tipo industrial.
El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
(CIEMAT) ha diseñado y construido
una planta de cavitación hidrodinámica
para llevar a cabo experimentos, que
nos permita mostrar las posibilidades de
esta técnica como proceso de oxidación
avanzada de bajo coste. Hasta el momento se ha experimentado con agua
contaminada por sustancias como tolueno y algunos derivados, compuestos
organoclorados, xilenos, amoníaco,
aguas de vertido del sector de acabados
de piel, lográndose importantes reducciones de la DQO (del orden del 60%)
en tiempos cortos. En este trabajo se
muestran los resultados obtenidos en la
experimentación de aguas contaminadas con tolueno y p-nitrofenol.
TECNICOS
Tratamiento de efluentes
industriales mediante cavitación
hidrodinámica*
Por: Yolanda Benito; Sergio Arrojo
Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
(CIEMAT)
Departamento de Medio Ambiente
Tratamiento de Efluentes
Avda. Complutense, 22, Ed. 20
28040 Madrid
Tel.: 913 460 812
Fax: 913 466 269
E-mail: [email protected]
Palabras clave:
Tratamiento de aguas residuales, proceso de oxidación avanzada, cavitación
hidrodinámica, aguas contaminadas.
279 / DICIEMBRE / 2006
Abstract
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Hydrodynamic cavitation applied to
industrial wastewater
The use in environmental technology
of the phenomenon known as cavitación has opened in the last new years alternatives for the treatment especially
for industrial effluents. CIEMAT has
designed and constructed a plant of cavitación hydrodynamics to take to end
experiments that it allows us to show
the possibilities of this technology as
process of advanced oxidation of low
cost. The experimentation has been made with water contaminated by substances like toluene and some derivatives,
chloride organic compounds, xylenes,
ammonia, wastewater from the ended
of leather sector, there being achieved
important reductions of the DQO (of
the order of 60%) in short times. This
work shows the results obtained in the
experimentation of waters contaminated with toluene and p-nitrophenol.
Keywords:
Wastewater treatment, advanced oxidation process, hydrodynamic cavitation, waters contaminated.
TECNOLOGIA DEL AGUA
*
Comunicación presentada en el X Congreso de Ingeniería Ambiental en el marco de Proma 2006.
1. Introducción
a cavitación aparece cuando
se introducen oscilaciones
de presión en el seno de un
líquido. Si la presión mínima alcanza la presión de vapor del líquido se
produce el crecimiento de las burbujas, que colapsan cuando la presión vuelve a crecer. En determinadas condiciones el colapso de las
burbujas resulta implosivo y los
efectos de compresión sobre los gases internos de las burbujas pueden
provocar picos de temperaturas y
presiones internas del orden de 104
K y 103 atm respectivamente.
En estas condiciones se generan
radicales hidroxilo (muy oxidantes)
y consecuentemente reacciones en
cadena que provocan la destrucción
química de las sustancias presentes
en las burbujas (por ejemplo contaminantes volátiles). Las burbujas
formadas en el seno del líquido
equivalen por tanto a micro reactores donde tiene lugar el tratamiento
de las aguas contaminadas.
Los procesos que generan radicales hidroxilo suelen ser conoci-
L
dos como procesos de oxidación
avanzada (POA), incluyen desde
irradiación UV hasta el reactivo
Fenton, suelen ser procesos con altos costes de operación (debido al
uso de reactivos o UV) pero altamente eficaces en la degradación
de sustancias refractarias. La cavitación, no requiere reactivo alguno, ya que es el propio vapor de
agua el que genera los radicales.
Además, los equipos requeridos
para producir este fenómeno son
sencillos y poco costosos, por lo
que la tecnología resulta barata
tanto en operación como en inversión inicial.
Sin embargo la aplicabilidad de
esta tecnología a escala industrial
se encuentra todavía en fase de desarrollo, por lo que CIEMAT ha diseñado y construido una planta piloto donde se están llevando a cabo
estudios sistemáticos y muy completos donde la técnica de cavitación se aplica al tratamiento de
aguas que presentan una gran variedad de contaminantes orgánicos.
ARTICULOS
TECNICOS
Figura 1. Planta piloto de cavitación hidrodinámica de CIEMAT.
flujo a alta velocidad a través de las
tuberías hasta una sección denominada cámara de cavitación, donde
suceden los procesos de oxidación,
después de la cual el efluente retorna al depósito. El depósito cuenta
con borboteadores de aire (o del gas
que se desee) y de un serpentín de
refrigeración para mantener la temperatura de trabajo constante.
La cámara de cavitación es un
tramo de tubería de sección variable
(Figura 2) que produce cambios de
velocidad en el fluido, y por tanto
oscilaciones en la presión. En un
primer tramo el líquido se acelera
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2. Planta piloto de
cavitación hidrodinámica
CIEMAT ha diseñado y construido una planta de cavitación hidrodinámica (Figura 1) para llevar a cabo experimentos que nos permita
mostrar las posibilidades de esta
técnica como proceso de oxidación
avanzada de bajo coste. Su diseño
está basado en los resultados obtenidos previamente con la ayuda de
herramientas computacionales de
simulación del proceso.
El bucle de cavitación consiste
en un tramo de tuberías alrededor de
un depósito. Una bomba impulsa el
mediante una contracción o convergencia de la sección de paso, el aumento de velocidad de las partículas
fluidas produce una disminución de
presión. El líquido alcanza una garganta, un máximo de velocidad y,
por lo tanto un mínimo de presión,
tras lo cual entra en un tramo divergente donde se decelera, lo que da
lugar a un aumento de presión.
En conjunto, el paso por esta cámara supone la exposición de las
partículas fluidas a un ciclo de oscilación de presión. Las burbujas se
forman en los puntos donde la presión cae por debajo de la presión de
vapor del líquido, es decir, en las
cercanías de la garganta, alcanzan
un tamaño máximo en los puntos de
mínima presión (salida de la garganta) sobreviniendo una implosión
abrupta con la recuperación de presión en el tramo divergente.
La cámara de cavitación se ha
construido en metacrilato para poder visualizar el fenómeno (Figura
3), lo que permite no sólo observar
el proceso sino poder fotografiarlo y
realizar medidas de la nube de burbujas generada. La configuración de
la cámara de cavitación es flexible y
fácil de cambiar pudiendo elegir
distintos tipos de tubos Venturi, placas de orificio o de impacto.
Los parámetros fisicoquímicos
del agua a tratar se miden en el tanque (temperatura, pH, conductividad y oxígeno disuelto). Además, y
mediante un by-pass, se realizan
Figura 2. Cámara de cavitación hidrodinámica.
Figura 3. Nube de burbujas generada mediante cavitación hidrodinámica.
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medidas en un espectrofotómetro de
UV-Visible conectado en línea. El
perfil de presiones se obtiene mediante 8 transductores que se encuentran situados a largo de la cámara de cavitación.
Finalmente, el seguimiento del
grado de oxidación alcanzado de los
compuestos orgánicos presentes en
el agua, y la identificación de los
productos obtenidos después del
proceso, se realiza por cromatografía de gases/masas.
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3. Experimentación
La configuración básica del ‘bucle de cavitación’ se muestra en la
Figura 4. El líquido a tratar se bombea desde el tanque de 60 l a la cámara de cavitación. Dentro de la cámara de cavitación el líquido primeramente se acelera debido al estrechamiento en la sección de paso del
mismo. Siguiendo la ecuación de
Bernoulli la presión disminuye con
el aumento de la velocidad del líquido, alcanzando un mínimo en el cual
la velocidad es máxima. En este periodo las burbujas se generan y crecen.
Posteriormente, el líquido atraviesa una sección divergente en la
cual se causa una deceleración causando el colapso violente de las burbujas, dando lugar a los fenómenos
físicos y químicos asociados con la
cavitación.
El diseño flexible de la cámara de
cavitación hace posible el cambiar
fácilmente los perfiles de convergencia/divergencia, mediante Venturis o placas de orificio con distintas configuraciones. Cada diseño
permite obtener distintos pulsos de
presión.
En los experimentos llevados a
cabo se ha trabajado con tolueno
(Panreac 99,5%), p-nitrofenol (Panreac, 99%), ácido clorhídrico (Aldrich 30%) e hidróxido sódico (Panreac 2N). Todos los ensayos se realizaron con agua destilada para evitar
posibles interferencias.
La degradación del tolueno se determinó mediante la DQO(demanda
química de oxígeno) empleando el
TECNOLOGIA DEL AGUA
TECNICOS
El tolueno y
el p-nitrofenol tienen
características
químicas similares
a las de otros
compuestos tóxicos
presentes en el agua
método EPA 410.4. Para identificar
los productos de reacción las muestras fueron analizadas en un sistema
GC/MS HP 5890/5971.
Para el seguimiento de los ensayos con p-nitrofenol se realizaron
medidas en un espectrofotómetro
Figura 4. Esquema del bucle de cavitación.
Figura 5. Degradación del tolueno.
UV/visible de Shimazdu. Las muestras se llevan a pH 11 mediante la
adicción de NaOH y después de 15
minutos se mide la absorbancia a
405 nm según el método de Kontronaru et al.
4. Resultados
La elección de tolueno y p-nitrofenol se realizó considerando que
eran sustancias representativas de
compuestos volátiles y no volátiles
respectivamente. Además ambos
compuestos son fáciles de determinar analíticamente y sus características químicas son similares a las de
otros compuestos tóxicos presentes
en las aguas.
Estos compuestos se seleccionaron teniendo en cuenta sus propiedades físicas y químicas, por las que
ambas sustancias pueden oxidarse
mediante la presencia de radicales
OH-, y/o ser degradados por mecanismos de pirólisis. Debido a las di-
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ferentes propiedades que poseen los
dos compuestos seleccionados, se
encontrarán o no presentes en la fase gas de las burbujas, pudiendo estudiar el efecto que este hecho produce sobre los resultados obtenidos
en la cavitación.
En principio, las moléculas de tolueno estarán presentes en la fase gas
de las burbujas generadas mientras
que las de p-nitrofenol podrían estar
en la fase líquida a valores altos de
pH, mientras que a pH bajo se concentrarán en la interfase gas/líquido.
Los experimentos se han llevado
a cabo variando las condiciones de
operación en la planta y los perfiles
empleados en la cámara de cavitación, con objeto de poder correlacionarlos con los grados de destrucción de los compuestos orgánicos
obtenidos.
La Figura 5 muestra la degradación del tolueno en el bucle de cavitación en función de la presión. Como era de esperar, la degradación de
tolueno aumenta con los valores altos de dP/dt. En estas condiciones
en el colapso de las burbujas se generan altas temperaturas, lo que
conduce a una alta degradación del
tolueno dentro de las mismas.
Así mismo, la baja solubilidad y
volatilidad del p-nitrofenol en agua
hacen pensar que la concentración
del p-nitrofenol dentro de las burbujas será baja, por lo que los procesos
Figura 7. Degradación de p-nitrofenol.
La tecnología
de cavitación
hidrodinámica
intenta degradar
los compuestos
tóxicos presentes
en las aguas
de oxidación deberían tener lugar en
los alrededores de las burbujas y/o
en la fase líquida.
Se ha estudiado el efecto del pH
en la degradación del p-nitrofenol.
La Figura 6 muestra que mientras el
p-nitrofenol se degrada por cavitación hidrodinámica, la forma iónica
no se ve afectada por la cavitación.
En la Figura 7 se muestra que un
aumento en dP/dt también incrementa los valores de degradación
del p-nitrofenol. Considerando que
la concentración de tolueno dentro
de la burbuja es comparable con la
de p-nitrofenol en la interfase, la reacción de oxidación parece tener lugar tanto dentro de la burbuja como
en la interfase gas/líquido.
Estos estudios constituyen una
primera etapa para entender y controlar la tecnología de cavitación hidrodinámica, y poder aplicarla a una
gran variedad de compuestos tóxicos presentes en las aguas capaces
de degradarse mediante esta tecnología.
5. Bibliografía
[1] Benito, Y.; Arrojo, S. (2005).
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low-cost AOP wastewater treatment. WIT Transactions on Ecology and the Environment, vol.
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Research, vol. 6, pag. 335-358.
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(1991). Phys. Chem. Vol. 95.
[4] Eliers, R. (1994) Hydrodynamic
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[5] Hammintt, F.G. (1980). Cavitation and multiphase flow phenomena. McGraw-Hill. USA.
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of water using jet generated cavitation. Fifth International
Symposium on Cavitation. Osaka (Japan).
TECNOLOGIA DEL AGUA
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Figura 6. Degradación de p-nitrofenol en función del pH.
TECNICOS
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