1

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)

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)

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)

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)

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)