Depuración de emisiones de compuestos orgánicos volátiles a la atmósfera mediante fotocatálisis y su combinación con tratamientos biológicos y plasma de descarga dieléctrica

Abstract

El conocimiento de los efectos nocivos que tiene la contaminación sobre el medio ambiente y la salud de las personas se ha traducido durante las últimas décadas en políticas ambientales encaminadas a su reducción en todas sus vertientes, entre las que se encuentra la contaminación atmosférica. Unos de los principales contaminantes atmosféricos son los compuestos orgánicos volátiles, los cuales se liberan a la atmósfera debido a diferentes actividades humanas, representando la actividad industrial un elevado porcentaje de las emisiones totales de estos compuestos. En contacto directo, los compuestos orgánicos volátile están asociados a la aparición de cáncer bajo largos periodos de exposición o causar irritación ocular y respiratorio en periodos cortos de contacto. Además, estos compuestos participan activamente en numerosas reacciones atmosféricas contribuyendo a la generación de ozono troposférico capaz de generar a su vez problemas ambientales asociados. Por tanto, resulta necesaria la reducción de estas emisiones, y cuando no sea posible, su tratamiento mediante tecnologías económica y ambientalmente sostenibles. En este último sentido, tanto la fotocatálisis, como los tratamientos biológicos y el tratamiento con plasma son técnicas innovadoras que presentan ventajas frente a las técnicas convencionales como un impacto ambiental menor, que hay que seguir estudiando y desarrollando para impulsar su aplicación industrial como tecnología de tratamiento alternativo. Así pues, este trabajo de tesis doctoral está dirigido con el objetivo principal de estudiar la viabilidad de estas técnicas en la depuración de emisiones de compuestos orgánicos volátiles. Para llevar a cabo este estudio, el trabajo se ha realizado en tres fases: estudio del proceso fotocatalítico, combinación de esta técnica con la biofiltración y, finalmente, estudio de la aplicación de plasma y su combinación con la fotocatálisis. En la primera fase se estudió la geometría más adecuada para realizar los posteriores experimentos. Después de comparar parámetros como la eficacia de eliminación y la pérdida de presión se eligió una geometría anular con iluminación central y catalizador soportado en fibra de vidrio en el anillo formado entre conducciones. Se realizaron estudios de rendimiento del fotorreactor en función de los principales parámetros de operación, carga volumétrica de contaminante, tiempo de residencia, tipo de soporte del catalizador, humedad relativa, la carga de catalizador, la intensidad y saturación lumínica y diferentes contaminante a tratar. Como contaminantes orgánicos volátiles se trabajó con el acetato de butilo, el tolueno y el xileno, compuestos habituales en las corrientes de gas residuales del sector del mueble, del papel, del tratamiento de superficies y de síntesis de compuestos orgánicos entre otros. Además, estos compuestos se combinaron entre sí para ver el efecto competitivo y aproximarse al tipo de emisión real que podemos encontrar en las industrias. Tras la puesta en marcha se determinaron las cargas volumétricas máximas, el efecto competitivo entre los compuestos, la existencia de desactivación y el método más adecuado para regenerar el catalizador, el efecto de la intensidad lumínica, la humedad relativa, el tipo de soporte y la obtención de las constantes de reacción para distintos modelos cinéticos basados en el modelo de Langmuir-Hinshelwood. La segunda fase del trabajo corresponde al estudio del acoplamiento del tratamiento fotocatalítico con un sistema de tratamiento biológico. El montaje del biofiltro se realizó después del estudio previo de parámetros como el tiempo de residencia, del tipo de relleno y del compuesto orgánico volátil. En este sentido se puso en funcionamiento el sistema biológico en unas condiciones en las cuales el biofiltro no tuviera una eliminación muy elevada y poder ver el efecto del acoplamiento. Se hizo trabajar el reactor fotocatalítico como pretratamiento con y sin radiación ultravioleta de forma que se puedo evalúa la sinergia obtenida, así como los cambios producidos en el sistema biológico a lo largo de todas las etapas, la evolución del perfil del compuesto orgánico volátil y de la comunidad microbiana a lo largo del biofiltro. Finalmente la última fase del trabajo desarrollado en l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes, se puede dividir en dos grandes partes. En ambas, se ha utilizado isovaleraldehído, un compuesto orgánico volátil presente en emisiones de industrias como la farmacéutica, pesticida, disolventes y suavizantes. En la primera parte se diseñó y construyó el fotorreactor rectangular como paso previo al cambio de escala. Con este reactor se estudiaron diversos parámetros de operación (la concentración de entrada de contaminante, el caudal utilizado y la humedad relativa), y también la intensidad lumínica, el número de láminas, la distancia entre la luz y el catalizador y el efecto de la competencia con otro compuesto (ácido isovalérico). En la segunda parte, se abordó la utilización del plasma para eliminar el compuesto orgánico volátil de referencia. Para realizar el estudio, al igual que en la primera parte, se variaron los parámetros de operación ampliando estos con el voltaje aplicado al sistema. Una vez estudiados estos parámetros se combinó el reactor rectangular con el plasma o de descarga de barrera dieléctrica en un mismo reactor para ver la sinergia que presentaba el uso de las dos técnicas.