Agroecología Global
Revista Electrónica de Ciencias del Agro y Mar
Año IV. Vol. 4. N°7. Julio – Diciembre. 2022
Hecho el depósito legal: FA2019000051
FUNDACIÓN KOINONIA (F.K).
Santa Ana de Coro, Venezuela.
Guillermo Centeno-Bordones
http://dx.doi.org/10.35381/a.g.v4i7.1870
Fotocatálisis: Tecnología sustentable para tratar materia orgánica natural (NOM) y desinfección del agua potable
Photocatalysis: Sustainable technology to treat natural organic matter (NOM) and disinfection of drinking water
guillermocenteno15@hotmail.com
Universidad de Carabobo, Valencia, Carabobo
Venezuela
https://orcid.org/0000-0003-1436-4764
Recibido: 01 de marzo 2022
Revisado: 10 de abril 2022
Aprobado: 15 de junio 2022
Publicado: 01 de julio 2022
RESUMEN
En esta revisión se hace una breve descripción de los Procesos Avanzados de Oxidación (PAO) de tipo fotoquímico, dirigido principalmente a los procesos fotocatalíticos heterogéneos de semiconductores especialmente el dióxido de titanio. Se expone la importancia y las condiciones experimentales de los sistemas de tratamiento de agua para consumo humano bajo esta tecnología. También, se hace referencia a la aplicación de la fotocatálisis para el tratamiento de materia orgánica natural y desinfección del agua de lluvia, que permitirán enfrentar los desafíos que tienen algunos países con respecto de los abastecimientos de agua potable. Igualmente se expone la importancia e inconvenientes que tiene la desinfección de aguas utilizando fotocatálisis con radiación solar.
Palabras clave: Fotocatálisis; materia orgánica natural; desinfección. (Tesauro AGROVOC).
ABSTRACT
In this review, a brief description is made of the Advanced Oxidation Processes (AOP) of the photochemical type, aimed mainly at the heterogeneous photocatalytic processes of semiconductors, especially titanium dioxide. The importance and experimental conditions of water treatment systems for human consumption under this technology are exposed. Also, reference is made to the application of photocatalysis for the treatment of natural organic matter and disinfection of rainwater, which will allow us to face the challenges that some countries have with regard to drinking water supplies. The importance and drawbacks of water disinfection using photocatalysis with solar radiation are also exposed.
Key words: Photocatalysis; natural organic matter; disinfection. (AGROVOC Thesaurus).
INTRODUCCIÓN
El agua potable es esencial e imprescindible para la vida, es más bien, un recurso, y no una mercancía, el agua potable es concretamente un derecho humano (González, 2015). Los esfuerzos científicos por mejorar el medio ambiente y el hábitat, para elevar la calidad de vida de la población depende fundamentalmente de la disponibilidad de agua, existiendo una estrecha relación entre la calidad del agua y la salud pública, entre la posibilidad de acceder al agua y el nivel de higiene, la abundancia del agua y el crecimiento económico, (Chávez, 2018).
Las políticas públicas de salud y las tecnologías dirigidas a mejorar los sistemas públicos del servicio de agua potable contribuyen a una disminución de la morbilidad y la mortalidad de enfermedades entéricas de la población, en especial de la más vulnerable como es la pediátrica y l geriátrica, porque dichas enfermedades y estos grupos etarios, están directa o indirectamente relacionados con el abastecimiento de aguas con deficientes tratamientos fisicoquímicos (Álvarez, 2017).
Actualmente, el 20% de la población mundial, alrededor de 1.400 millones de personas no tienen acceso al agua potable, y casi 4.000 millones carecen de un saneamiento adecuado, es decir, un 68% de la población del planeta. Según estimaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS) en su informe Nº. A71/28 del 2018, el 80% de las enfermedades se transmiten a través de agua contaminada (Mejía, Castillo, y Vera, 2016).
El acceso al agua potable es un factor importante en materia de salud para un país, debido a que impacta directamente en cada región y comunidad elevando su nivel de desarrollo (Chávez, 2018; Correa, 2017). Se ha comprobado que las inversiones en sistemas de abastecimiento y saneamiento de agua pueden ser rentables desde un punto de vista económico para los estados-nación, ya que la disminución de las enfermedades y los costos de asistencia sanitaria, son superiores al costo de las plantas de tratamientos de aguas. (Bohórquez, 2019; Mejía, Castillo, y Vera, 2016).
La experiencia ha demostrado que las medidas destinadas a mejorar el acceso al agua potable favorecen en particular a la población más pobre, tanto de zonas rurales como urbanas, y son un componente eficaz de las estrategias de mitigación de la pobreza. (Santos 2017; Chávez 2018). Desde el punto de vista técnico el tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de las características no deseables de las aguas, bien sean naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales. (Salamanca, 2016).
Las Plantas Potabilizadoras de Agua para consumo humano, necesitan siempre de un paso previo al tratamiento bacteriológico o fisicoquímico del fluido: “la etapa de clarificación”. (Carrasquero, et al, 2016; Cuartero, et al, 2017). La secuencia más habitual del mismo es la siguiente:
Captación: mediante una red de tuberías y bombeos se envía el líquido de una fuente superficial (ríos, lagos) o de origen profundo.
Coagulación y floculación: mediante este proceso, se promueve la agrupación de las partículas suspendidas que son responsables del color y la turbidez del agua.
Decantación: con el agua casi en reposo y a través de la acción de la gravedad, se depositan en el fondo las partículas y los flóculos formados en el proceso anterior, teniendo como subproducto un lodo que se extrae posteriormente.
Filtración: retención de las partículas que no pudieron ser extraídas en el proceso anterior haciendo pasar el agua por unos filtros.
Desinfección final: con la adición de reactivos, normalmente cloro y amoniaco para formar cloraminas, ozono y/o radiación ultravioleta, se consigue eliminar los microorganismos que hayan podido sobrevivir a los procesos anteriores y se garantiza la calidad microbiológica del agua. (Mayorga, y Mayorga, 2016; Salamanca, 2016; Cuicas, y Cuadra, 2017; Campos, y Vargas, 2019).
Una de las tecnologías prometedoras para mejorar los procesos de clarificación y desinfección de agua potable son procesos de oxidación avanzada (POA) pueden definirse como procesos que implican la formación de radicales hidroxilos (OH°) de potencial de oxidación de 2.8 V mucho mayor que el de otros oxidantes tradicionales. Estos radicales son capaces de oxidar compuestos orgánicos, principalmente por abstracción de hidrógeno o por adición electrofílica a dobles enlaces, permitiendo degradar la materia orgánica que se encuentra en el agua de captación, disminuyendo considerablemente la cantidad de materia orgánica en el agua (Centeno, y Jiménez, 2018; Sillanpää, Ncibi, y Matilainen, 2018; Remucal, y Manley, 2016).
En el caso de microorganismos, estos radicales atacan la bicapa lipídica que conforma la pared externa de la célula, generando reacciones de peroxidación lipídica letales para el microorganismo. Los POA abarcan procesos como ozono/luz UV, H2O2/luz UV, ultrasonido, fotocatálisis y fotoquímica, y los tratamientos electroquímicos (Stefan, 2017). Una de las razones que ha hecho que los POA sean objeto de un creciente interés es la posibilidad de utilizar energía solar como fuente de fotones, con el consiguiente ahorro energético y ventajas medioambientales (Aguas, et al, 2017).
Una de las alternativas tecnológicas para la desinfección de agua potable es la fotocatálisis con dióxido de titanio (TiO2) con el uso de radiación ultravioleta de 254 nm, mediante lámparas (Agudelo, Terranova, y Alcantar, 2018). También es cierto que la fotocatálisis utilizando radiación solar, es un poco menos eficiente debido a que la radiación ultravioleta del sol es menos concentrada (alrededor del 7% del espectro electromagnético del sol es radiación UV) que la utilizada por lámparas germicidas de radiación UV, donde la longitud de onda se concentra en un 80% para cual fue diseñada (González-López, y Pinto-Acosta, 2018). Pero es sabido el costo de instalación y mantenimiento que representa el uso de lámparas de radiación ultravioleta en las instalaciones de tratamientos de aguas potables a gran escala.
En un estudio realizado por Posso et al (2015), se afirma que en términos generales y según la información analizada, en los países del norte de Suramérica existe un potencial de energía solar que puede hacer factible el aprovechamiento de la radiación solar como fuente de energía alternativa en el 80 % de los países, debido a que alcanza valores de radiación superior a los 5,1 kWh/m2 dia. Por lo que el uso de reactores solares es una posibilidad cierta en el manejo de procesos de oxidación avanzada como la fotocatálisis en el tratamiento de desinfección primaria de agua potable.
Por lo anteriormente expuesto es necesario conocer que la eficiencia de la fotocatálisis para la eliminación de materia orgánica natural y la desinfección en aguas para el consumo humano.
METODOLOGÍA
El presente trabajo de investigación es de tipo documental (Posada-González, 2017) y se llevó a cabo realizando una revisión de los artículos publicados durante los últimos cinco años (desde el 2015 hasta el 2020) en directorios de acceso abierto (Open Access) tales como SciELO (Scientific Electronic Library Online), DOAJ (Directory of Open Access Journals), Redalyc (Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal), e-Revistas (Plataforma Open Access de Revistas Científicas Electrónicas Españolas y Latinoamericanas) y Dialnet (Portal bibliográfico de acceso libre de la Universidad de la Rioja, España), Una vez revisados, los artículos fueron clasificados de acuerdo al tipo de temática abordada. Se usaron como palabras claves fotocatálisis, agua potable, desinfección, oxidación orgánica.
RESULTADOS
Fotocatálizadores
Un fotocatalizador puede ser definido como una sustancia que acelera una reacción mediante la acción directa de una fuente de emisión de radiación UV visible. Segura Sanchis, E. (2017) afirma que la fotocatálisis puede ser definida como la aceleración de una fotoreacción mediante un catalizador fotosensibilizado. En el caso de los fotocatalizadores heterogéneos, se emplean comúnmente semiconductores (sólidos tipo óxido en suspensión acuosa o gaseosa). Existen múltiples de estos fotosensibilizadores tales como: Al2O3, ZnO, Fe2O3, CuO, MnO y TiO2 y compositos como Ag–BiVO4 entre otros (Centeno y Jiménez, 2018).
Este tipo de catalizadores tipo óxido permiten la fotocatálisis heterogénea, que según Castillo, (2016), es un proceso que se basa en la absorción directa o indirecta de energía radiante de tipo UV, por un sólido semiconductor de banda ancha, es decir, un material con valor de energía de activación mayor respecto a otros materiales; el cual modifica la velocidad de reacción química sin verse involucrado, se debe mencionar la presencia fundamental de O2, debido a que sin su presencia se nota una supresión casi total de la actividad fotocatalítica (Nevárez-Martínez, et al, 2017).
La Figura 1 muestra esquemáticamente el potencial redox correspondiente a la banda de valencia ya la banda de conducción para distintos semiconductores puede ser expresado en eV (escala izquierda de la Figura 1) o en voltios respecto al potencial del electrodo normal de hidrógeno, ENH (escala derecha de la Figura 1). Se muestran los potenciales redox de las cuplas (H+/½H2) y O2/H2O respecto del potencial del electrodo normal de hidrógeno (ENH) (Centeno y Jiménez 2018). Nótese que dichas líneas se corren por cambios en el pH, en la presión parcial de oxígeno, o en la temperatura. Aquellos materiales cuya banda de conducción se ubica por encima de la línea H+/H2 son termodinámicamente capaces de reducir al agua, mientras que los materiales cuya banda de valencia se ubica por debajo de la línea O2/H2O pueden oxidarla (Corrales- González, 2018; Centeno y Jiménez, 2018).
Figura 1. Posición relativa de los bordes de las bandas de conducción y de valencia de algunos semiconductores.
De acuerdo al potencial de estos semiconductores para la oxidación o reducción del agua se pueden dividir en tres grupos según Centeno y Jiménez:
Reductivos: Pueden producir la reducción del agua y generar H2, sin embargo, su potencial de oxidación es muy débil para oxidarla, como ejemplos se tienen: CdTe, CdSe y Si.
Redox: En este caso existe la posibilidad de oxidar y reducir el agua, como ejemplos se tienen al CdS, SrTiO3, TiO2, ZnO, Nb2O5.
Oxidativos: Pueden producir la oxidación del agua y generar O2, ya que la banda de valencia está localizada a un potencial energético suficientemente negativo.
Sin embargo, en algunos casos el potencial de reducción de la banda de conducción es insuficiente para reducir el agua, como ejemplos se tienen al MoS2, Fe2O3, WO3 y SnO2.
Luego de la separación electrón-hueco, la transferencia interfacial de las cargas, que conduce a la oxidación de un compuesto orgánico por el hueco, puede producirse por cualquiera de los siguientes caminos: i) transferencia directa del hueco a la sustancia adsorbida sobre el fotocatalizador, ii) a través de especies intermediarias fuertemente oxidantes, como el ◦OH o superóxido (O2-) formados respectivamente por oxidación de agua o reducción de oxígeno adsorbidos sobre el catalizador , iii) ambos caminos en simultáneo.
El electrón fotogenerado debe ser secuestrado por algún oxidante presente en el medio de reacción, típicamente oxígeno, agua oxigenada o persulfato de amonio entre otros. Aquellos semiconductores de la Figura 1 que tengan un potencial de oxidación mayor a 2 V respecto del ENH son potenciales oxidantes de contaminantes orgánicos (Rosales-Vera, 2020; Corrales-González, 2018; Centeno y Jiménez, 2018).
Estas propiedades de los fotocatálizadores heterogéneos permiten que las reacciones (óxido-reducción) transcurran en la superficie del catalizador (interface líquido-sólido o gas-sólido, respectivamente), generando radicales libres muy reactivos; permitiendo la degradación, e incluso la mineralización, de una gran variedad de compuestos orgánicos. En este tipo de reacciones las condiciones de reacción son muy importantes porque van a determinar la especiación en la que se encuentra el catalizador y la sustancia a oxidar, por lo que controlar las condiciones de temperatura, pH, tamaño de partícula, concentración del oxidante, son muy importante (Centeno y Jiménez 2018).
Fotocatálisis heterogénea con oxido de titanio
Fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio (TiO2) Como ya se ha mencionado, la fotocatálisis implica la combinación de la fotoquímica con la catálisis. Ambos, luz y catalizador, son necesarios para alcanzar o acelerar una reacción química. En el caso de la fotocatálisis heterogénea, se emplean semiconductores (sólidos en suspensión acuosa). Existen múltiples de estos fotosensibilizadores como se dijo antes, sin embargo, el más ampliamente usado en aplicaciones fotocatalíticas es el dióxido de titanio (Degussa p25) en forma de anatasa 99% y en forma de rutilo 1% (Figura 2), y también está la formada por la estructura cristalina anatasa en un 70% y por rutilo en un 30%, ya que estas dos especies son las que presentan una mayor actividad fotocatalítica que la brukita, no es tóxico, el dióxido de titanio es estable en soluciones acuosa y no es costoso, habiéndose evaluado diferentes estructuras del mismo (Vallejo, et al 2016; Loaiza, et al 2016; Barber-Núñez, 2018).
Figura 2. Estructuras cristalinas del dióxido de titanio, donde se aprecia la estructura cristalina de la fase anatasa, rutilo y brukita.
El proceso de fotocatálisis heterogénea sobre TiO2, se basa principalmente, en la iluminación del semiconductor según su estructura cristalina predominante es excitado con luz (UV) conteniendo mayor energía que su energía de banda prohibida(Eg) (Eg anatasa TiO2: 3.2 eV; rutilo TiO2: 3.0 eV) que corresponde a longitudes de onda del UV, esto hace posible la promoción de un electrón (e- ) desde la banda de Valencia (BV) hacía la banda de conducción (BC), dejando un hueco positivo (h+) en la BV (ecuaciones 1, 2 y 3). Estos portadores de carga, el electrón y el hueco, pueden migrar hacía la superficie del semiconductor atrapándose sobre defectos de superficie ó reaccionando con un aceptor ó donador apropiado de electrones. Existe también la posibilidad que estos portadores de carga puedan recombinarse entre sí disipando el exceso de energía en forma de calor, esto según Nevárez-Martínez, et al 2017 y Centeno y Jiménez 2018.
Los huecos pueden ser atrapados por grupos hidroxilo o moléculas de agua adsorbidos en la superficie, produciendo radicales OH° que posee un potencial oxidativo alto (~1.7 Vvs) y son altamente reactivos con la materia orgánica y tóxicos para los microorganismos ecuaciones 4 y 5), según Nam, et al (2018) Figura 3.
Figura 3. Mecanismo de reacción propuesto para la fotocatálisis con dióxido de titanio.
Es decir, el proceso se describe de la siguiente manera según Nevárez-Martínez, et al (2017):
(Ecuación 1)
(Ecuación 2)
(Ecuación 3)
Sustancias orgánicas / microorganismos + OH° ⇾ Productos de degradación (Ecuación 4)
Sustancias orgánicas / microorganismos + 
⇾ Productos de
degradación (Ecuación 5)
Actualmente se reconoce que los defectos por vacancias de oxígeno en la superficie del TiO2 juegan un papel esencial en la adsorción de O2, las moléculas de oxígeno adsorbidas o los electrones foto-promovidos a la banca de conducción atrapados por estos defectos pueden producir radicales superóxido, los cuales en medio acuoso y ligeramente ácido tienden a dismutarse para generar peróxido de hidrógeno que actuará también como aceptor de electrones foto-excitados para finalmente producir radicales •OH , tal como lo afirma Izquierdo (2016).
Parámetros para reacciones fotocatalíticas:
Existen varios parámetros que según Trinidad (2017), Gómez-Muñoz, (2017), Hernández y Prieto (2017) estos investigadores afirman que los factores que influyen cualitativa y cuantitativamente en el proceso de óxido-reducción fotocatalítico se presentan a continuación:
Longitud de onda e intensidad de la luz:
El dióxido de titanio absorbe longitudes de onda inferiores a 400 nm, que corresponden al espectro ultravioleta. Cualquier radiación de estas características tendrá la capacidad de generar en el semiconductor un par electrón-hueco. La distancia de penetración de los fotones dentro de la partícula de TiO2 es más corta cuanto menor es la longitud de onda ya que son absorbidos por las moléculas del semiconductor con más fuerza. Debido a esto, el empleo de longitudes de onda más corta (UVC 200-280 nm) generan los pares electrón-hueco más cerca de la superficie, siendo menor el tiempo empleado para la migración de estos pares electrón-hueco hasta la superficie de la partícula y, por tanto, menores las posibilidades para que ocurra la recombinación de los mismos antes de que se produzca en la superficie de la partícula las reacciones con las especies químicas presentes en el agua. En conclusión, el aprovechamiento de la energía absorbida es mayor cuanto menor es la longitud de onda empleada.
El catalizador:
Cuanto mayor sea la dosis del catalizador, mayor será en principio la eficiencia obtenida, si bien el efecto de la turbidez ocasionada por sus partículas también aumenta, dificultando la difusión de la luz ultravioleta. En lo que respecta a su disposición, el dióxido de titanio puede estar en suspensión o inmovilizado. La utilización de partículas de TiO2 ocasiona la aparición de sólidos suspendidos, parámetro limitado por la legislación en materia de vertidos. Por lo tanto, es necesario separar las partículas de TiO2 de las aguas tratadas, siendo este uno de los principales inconvenientes a la hora de aplicar esta tecnología debido a su reducido tamaño. Para su separación se pueden usar técnicas de filtración, que encarecerán el tratamiento. La aplicación de técnicas de decantación, dado el reducido peso y tamaño de las partículas a separar, obliga a tiempos de residencia excesivos para que el proceso resulte económico. Para solucionar este problema existen dos alternativas: aumentar el tamaño de las partículas o adherirlas a soportes (vidrio, policarbonato, estireno, etc.) de mayor tamaño para mejorar la decantación y evitar utilizar el catalizador en suspensión, depositándolo sobre las paredes iluminadas del fotorreactor o sobre materiales transparentes a la radiación.
Efecto del oxígeno:
Los huecos generados en la fotocatálisis producen radicales hidroxilos en la interfase del semiconductor con el agua. Por otro lado, los electrones generados requieren una especie aceptadora de electrones, evitan do de esta forma la recombinación de éstos con los huecos. Así, el oxígeno molecular actúa como aceptor de electrones generándose el radical superóxido, promotor de más radicales hidroxilos. La presencia de oxígeno es por tanto esencial para que se produzca una oxidación efectiva. Por otro lado, una aireación controlada permite la continua suspensión del catalizador en la disolución, favoreciendo una degradación más homogénea.
Temperatura y pH:
La variación de la temperatura no afecta significativamente la velocidad de las reacciones fotocatalíticas. Aparentemente el pH no afecta notablemente este tratamiento ya que se han obtenido buenos resultados empleando TiO2 a diferentes rangos de pH, pero también se ha comprobado que éste afecta el tamaño de las partículas, la carga superficial y las posiciones de los máximos y mínimos de las bandas del TiO2 debido a su carácter anfotérico. Debe trabajarse a un pH diferente al punto isoeléctrico para el TiO2 (pH 7), donde la superficie del óxido no está cargada.
Concentración inicial del contaminante:
Las cinéticas de degradación fotocatalítica siguen generalmente el mecanismo de Langmuir-Hinshenlwod donde la velocidad de reacción varía proporcionalmente a la fracción de superficie cubierta por el sustrato
Calidad del agua a tratar:
La presencia de turbidez, sólidos en suspensión y materia orgánica e inorgánica en el agua a tratar pueden restar eficiencia a la oxidación fotocatalítica con TiO2. La turbidez interfiere en la interacción de la luz ultravioleta y el catalizador, reduciendo la eficacia de la reacción de oxidación y desinfección.
Tratamiento de materia orgánica natural en agua potable
La materia orgánica natural (por sus siglas en ingles NOM) deriva de la descomposición de residuos vegetales y animales y actividad microbiana y es ubicua en las aguas superficiales y subterráneas. Si bien su presencia no representa una amenaza directa para la salud humana, sí lo hace introducen otras preocupaciones, sobre todo la producción de carcinógenos, mutagénicos, potencialmente genotóxicos y teratogénicos cuando reacciona con desinfectantes oxidantes como el cloro, (Lemus-Pérez, 2017). Las estrategias más comunes para la mitigación de NOM coagulación mejorada o ablandamiento, carbón activado granular (GAC), o filtración por membrana (Salamanca, 2016). Estas prácticas son a menudo suficientes para controlar la materia orgánica natural; sin embargo, también se está investigando la efectividad de los POA en su mineralización.
Una investigación desarrollada por Mayer, et al 2018, evaluaron unas estrategias dirigidas a la mitigación de contaminantes macro y microorgánicos utilizando fotocatálisis de dióxido de titanio de baja energía. Los aportes de energía de 1, 2 y 5 kWh m3 dieron como resultado oxidación incompleta de materia orgánica natural macro-orgánica, significada por mayores reducciones de UV a 254 nm (UV254) y absorbancia UV ultravioleta específica (SUVA) en comparación con orgánicos disueltos carbonos (DOC). La tasa de eliminación de UV254 fue a 3 niveles de magnitud mayor que la tasa de degradación del DOC. La oxidación incompleta mejoró la operación de los procesos de filtración aguas abajo.
La fotocatálisis a 2 kWh m3 aumentó la vida útil del lecho de carbón activado granular aguas abajo (GAC) filtrando en un 340% en relación con el pretratamiento de filtración directa. Asimismo, la fotocatálisis funciona antes de la microfiltración disminuyó el ensuciamiento, lo que resultó en tiempos de funcionamiento del filtro más largos. Usando 2 kWh m3 la fotocatálisis aumentó el tiempo de funcionamiento del filtro en 36 veces en comparación con la filtración directa.
Además, los niveles de DOC y UV254 en el permeado de la membrana mejoraron (sin cambios en eliminación a través de la membrana) utilizando pretratamientos de fotocatálisis de baja energía. Mientras más altas sean las entradas de energía UV proporcionaron altos niveles de eliminación de la estrona microorgánica estrogénica (E1), 17β-estradiol (E2), estriol (E3) y 17α-etinilestradiol (EE2), la fotocatálisis de baja energía no mejora la eliminación de estrógenos más allá de los niveles alcanzados por la fotólisis sola. En los casos de E1 y E3, la adición de TiO2 como fotocatalizador redujo las tasas de degradación de estrógenos en comparación a fotólisis UV. En general, el proceso mejora enormemente usando fotocatálisis, versus fotólisis, para los macroorgánicos, DOC, UV254, y SUVA; sin embargo, la energía requerida para la eliminación de estrógenos fue similar entre fotólisis y fotocatálisis.
La presencia de sustancias húmicas en el agua es peligrosa porque se consideran los principales precursores de subproductos de desinfección (DBP), especialmente de trihalometanos (THM) durante el paso de cloración. La presencia de ácidos húmicos en el sistema de distribución favorece a las bacterias crecimiento en la red de agua potable, que puede conducir a graves problemas sanitarios problemas en la calidad del agua potable. Los procesos habituales de tratamiento de agua potable que implican filtración de arena, sedimentación y coagulación, generalmente son capaces de eliminar entre el 20 y el 50% de las sustancias húmicas del agua, lo que implica altos costos de operación y contaminación secundaria tóxica.
Para la eliminación de ácidos húmicos como compuesto orgánico natural se desarrolló una investigación por Orhaa, et al (2016) que lleva por título Carbón activado modificado con dióxido de titanio para tratamiento avanzado de agua potable. Este estudio informó un nuevo carbón activado granular modificado con anatasa TiO2 (GAC-TiO2) sintetizado por el método hidrotermal asistido por microondas. El compuesto fue caracterizado morfo-estructuralmente utilizándose para la eliminación de ácidos húmicos (HA) del agua mediante fotocatálisis bajo radiación UV en comparación con el proceso de sorción.
El compuesto GAC-TiO2 reveló una alta fotoactividad para la degradación y mineralización de HA. La actividad de autolimpieza del material compuesto probada en este estudio lo hace muy notable en desarrollar la próxima generación de sistemas de filtrado evitando su ensuciamiento en el agua potable. La tecnología de tratamiento compuesta de carbón activado granular modificado con TiO2 (GAC-TiO2) fue sintetizado con éxito por microondas condiciones hidrotermales. La presencia de anatasa TiO2 forma dentro de la composición compuesta se evidenció por diferentes técnicas de caracterización, que revelaron una superficie específica más baja del composite en comparación con el GAC comercial. La actividad fotocatalítica de este nuevo compuesto se evaluó la degradación y mineralización de ácido húmico (HA) del agua. El óptimo condiciones de trabajo, por ejemplo, pH de 7, dosis de catalizador de 1 g L – 1 para las concentraciones de ácido húmico oscilaron entre 10 y 25 ppm.
En los resultados el GAC-TiO2 exhibió una actividad de autolimpieza bajo irradiación UV para la eliminación del ácido húmico del agua, que lo hace notable y sorprendente importante en el desarrollo nueva generación de sistema de filtrado en el tratamiento de agua potable.
El cambio climático en el planeta y sus influencias en los embalses de almacenamiento de agua potable se evidencia en efecto que tienen las temperaturas altas y períodos más largos de altas temperaturas resultando en más Anoxia hipolimnética en el lago de forma generalizada que puede conducir a la liberación de fósforo sedimentario causando floraciones de algas no deseadas (Bazán, et al 2018). Los compuestos de sabor y olor son producidos principalmente por floraciones de cianobacterias como metabolitos secundarios (Cantoral, et al 2017). El umbral de olor de estos compuestos es en el rango de los ng. L-1, lo que hace que su eliminación efectiva del agua potable sea una tarea difícil. Estudios han demostrado que la mayoría de los compuestos de sabor y olor son resistentes a técnicas convencionales de tratamiento de agua, como coagulación, sedimentación y filtración, especialmente a muy baja concentración (Salamanca, 2016). Solo unos pocos métodos convencionales de tratamiento de agua han tenido éxito en eliminar el sabor y compuestos de olor a concentraciones tan bajas.
Los oxidantes como Cl2, ClO2 y KMnO4 tienen demostrado ser ineficaz en la degradación de estos compuestos debido a la resistencia de los alcoholes terciarios hacia la oxidación leve (Lemus-Pérez, 2017). La filtración con carbón activado granular y arena, y alumbre la coagulación se usa para eliminar compuestos de sabor y olor en algunas instalacines de tratamientos de agua.
Dos compuestos comunes de sabor y olor encontrados en las aguas superficiales son 2-metil isoborneol (MIB; umbral de olor 15 ng L-1) y geosmina (GSM; umbral de olor 4 ng L-1). MIB es un terpenoide producido por la especie cianobacteriana, Oscillatoria y Phormidium, y actinomicetos. GSM es un alcohol terciario bicíclico producido por ciertas especies de Oscillatoria, Anabaena, Lyngbya, Symploca y Actinomicetos (Gamón-Olmo, 2017). Estos compuestos orgánicos naturales producidos como metabolitos por especies de microorganismos presentes en el agua como las descritas anteriormente.
En relación con esto surge una investigación desarrollada por Yaparatne, Tripp, y Amirbahman, en el 2017 denominada Fotodegradación de compuestos de sabor y olor en agua en presencia de fotocatalizadores de TiO2-SiO2 inmovilizados. La desinfección por radiación ultravioleta (UV) es una tendencia creciente en los sistemas públicos de tratamiento de agua por su efectividad con respecto a la inactivación de protozoos y otros agentes como microorganismos patógenos. Sin embargo, la eliminación de diferentes clases de compuestos orgánicos, incluido el sabor y los compuestos de olor en el agua no son efectivos con la radiación UV. En este estudio, El fotocatalizador TiO2 inmovilizado se desarrolló para mejorar la fotodegradación UV de dos de los principales compuestos de sabor y olor, el 2-metil isoborneol (MIB) y Geosmin (GSM) en agua potable.
El TiO2 modificado con polvo P-25 de Evonik (anteriormente Degussa) se inmovilizó en portaobjetos de vidrio usando la mezcla sol-gel TiO2-SiO2 como aglutinante y se calcinó a 500 ºC. Varias películas catalizadoras se sintetizaron con diferentes cantidades de Si y se caracterizaron. La degradación fotocatalítica de MIB y GSM se investigó irradiando soluciones acuosas bajo luz UV-A (350 nm). La generación de radicales hidroxilos (°OH) también se evaluó para medir la actividad de las películas de fotocatalizador. Las Películas catalizadoras con relaciones de superficie de Ti: Si ≈ 6 mostraron tasas de degradación similares pero mejor robustez en comparación con las películas P25 inmovilizadas.
Los resultados obtenidos en este estudio muestran que las películas de catalizador modificado con polvo P25 tienen la capacidad de fotodegradar compuestos de sabor y olor más eficientemente que el tratamiento solo con UV. El P25 inmovilizado sobre el sustrato de vidrio sin el recubrimiento de sol-gel TiO2-SiO2, a pesar de su alto eficiencia fotocatalítica, no tenía una adherencia fuerte y estable; la mezcla sol-gel ayuda en la unión de P25 al sustrato de manera robusta. La película de catalizador modificada en polvo con una relación Si: Ti = 3% fue capaz de degradar ~ 80% de MIB y GSM en una hora (Yaparatne, Tripp, y Amirbahman, 2017). Se observó actividad fotocatalítica con respecto a los compuestos de sabor y olor. Evidenciando que Estas películas catalizadoras pueden usarse para aumentar la radiación UV existente sistemas de desinfección para la eliminación de compuestos de sabor y olor y otros contaminantes orgánicos en instalaciones de tratamiento de agua potable y aguas residuales.
Desinfección de aguas pluviales una alternativa ante la escases del recurso hídrico
La calidad del agua de lluvia, pluvial o meteórica es implícitamente mejor que el de las aguas superficiales, debido a la composición que no permite que se deteriore tanto como las otras que están expuestas constantemente a más agentes contaminantes (Calheiros, et al 2015). El agua de lluvia si es bien tratada en cuanto a su recolección, distribución y almacenamiento puede ser utilizada directamente para algunos usos domésticos como lavado sanitario, lavado y limpieza de pisos, inodoros y riego de jardines. Asimismo, se sabe que se puede utilizar para distintos usos comerciales e industriales. Para que el agua pueda ser potable, se deben realizar purificaciones y desinfecciones más especializadas. Sin embargo, ello representaría un gasto adicional dependiendo del tipo de sistema de purificación que se decida implementar (Calheiros, et al 2015; León-Romero, 2016).
En un estudio realizado en el 2018 por los investigadores García-Hernández, et al con una investigación titulada purificación de agua de lluvia en un reactor de fotocatálisis heterogénea nanoestructurada con TiO2/UV/aire, se pudo demostrar que mediante la aplicación de tecnologías fotocatáliticas a través de la fotorreacción con un catalizador para generar especies reactivas de oxígeno (°OH, O2°-), las cuales degradan contaminantes orgánicos y eliminan microorganismos en el agua de lluvia. Se evaluó este POA para la purificación del agua de lluvia recolectada y almacenada durante 5 años. Se utilizó un fotorreactor con nano-TIO2/ UV/aire, bajo las condiciones estudiadas y en un lapso de 15 min de tratamiento, se eliminaron completamente los coliformes totales y E. coli. Además, se obtuvo una disminución en la DQO (44 a 39 mg/L), de COT (0.7588 a 0.4834 mg/L) y de NT (6.2029 a 4.7385 mg/L). En este estudio se comprobó que el sistema de fotocatálisis con nano-TIO2/UV/aire es factible para potabilizar el agua de lluvia almacenada convirtiéndose en una tecnología alternativa para la purificación de aguas meteóricas en zonas rurales y poco acceso al recurso hídrico.
En este mismo orden de ideas una investigación realizada por los investigadores, Agudelo, Terranova, y Alcantar, (2018) comprobaron que la aplicación de la fotocatálisis para la pasteurización y desinfección del agua de lluvia es efectiva utilizando radiación solar. La fotocatálisis heterogénea se presenta como una alternativa de potencial implementación y operación, porque buscan el aprovechamiento de la radiación y el incremento de la temperatura, haciéndola apta para emplearla en múltiples locaciones, principalmente donde existan fuentes de abastecimiento que presenten bajos niveles de turbiedad en el agua pluvial. Para verificar la efectividad de estas técnicas, se evaluó una unidad compuesta por un sistema de captación de aguas lluvias, un filtro lento de arena y un sistema de desinfección solar compuesto por fotocatálisis, que emplea como catalizador dióxido de titanio (TiO2) en forma de anatasa 99 % en un lecho fijo. La caracterización del afluente mostró valores de turbiedad iguales a 3,29 UNT, pH de 6,4 y presencia de coliformes. La eliminación de microorganismos se hizo efectiva en días con índices de radiación por encima de 4UV (longitudes de onda de 315-400 nm), estados de los tiempos soleados o parcialmente nublados y valores de turbiedad de 4 UNT. El efluente presentó efectividad próxima al 60 % en la remoción de turbiedad y 100 % en coliformes. Los resultados obtenidos permiten el uso del agua tratada en actividades complementarias, excluyendo el consumo humano.
La implementación de un sistema de tratamiento constituido por filtración y desinfección solar por fotocatálisis, para un afluente producto de la captura de aguas de lluvias, pudo contribuir a la carencia del recurso en una locación vulnerable; no obstante, si se presenta el hecho de que en la localidad en la que se desea implementar el piloto no se cuenta con probabilidad alta de precipitación, se puede buscar una fuente de agua con bajos niveles de turbiedad para tratar, como se ha mencionado anteriormente; el sistema de tratamiento de fotocatálisis solo es efectivo si la turbiedad del agua es baja ya que, si fuera al contrario, los rayos ultravioleta no pueden actuar efectivamente con el catalizador dióxido de titanio (Agudelo, Terranova, y Alcantar, 2018).
Esta tecnología depende de las condiciones meteorológicas y climatológicas de la zona donde se implemente el proyecto, las variables más importantes son la carga hidráulica en función de la radiación, la turbiedad, la presencia de coliformes y la temperatura, variables que determinaron las unidades de captación de agua lluvia, tratamiento de filtración y desinfección solar, empleando materiales adecuados para cada una de las variables: carga hidráulica y turbiedad (Filtro lento de arena), radiación (vidrio Pyrex borosilicato), temperatura: (tubo negro y tapa en acrílico), coliformes (sistema de desinfección solar por fotocatálisis heterogénea con catalizador dióxido de titanio). El proceso de análisis permitió evidenciar que, en la filtración, a mayor carga hidráulica, menor eficiencia en cuanto a remoción de turbiedad, factor que influye en el paso de la radiación. Asimismo, en los resultados de la influencia de la radiación y la turbiedad en la desinfección (presencia de coliformes), se observó que con índices de radiación que van desde los 4UV se presenta desinfección en el sistema de fotocatálisis heterogénea.
La evaluación del sistema de desinfección solar indica que no hubo ausencia de coliformes, puesto que la temperatura ambiente de la zona no fue suficiente para elevar la temperatura del agua en el sistema a más de 60 ºC, lo que indica que la desinfección se logró por la fotocatálisis heterogénea, y la generación de radicales libres. Lo anterior basado en que este proceso causa daño celular por la generación de radicales OH en la superficie del fotocatalizador y por la absorción directa de la radiación UV por las células, lo que contribuye en gran medida a promover la inactivación celular (Agudelo, Terranova, y Alcantar, 2018).
Desinfección primaria de aguas superficiales y subterráneas con fotocatálisis solar una alternativa de futuro
En numerosas ocasiones el agua que llega a las viviendas de muchas comunidades rurales proviene de manantiales, ríos, arroyos, ojos de agua, pozos profundos u otros tipos de fuentes naturales casi siempre expuestas a contaminación (Pedraza, y de Jesús, 2017), por lo que se busca la necesidad de una tecnología para la desinfección del agua que sea barata y accesible para minimizar los incidentes de las enfermedades transmitidas por el agua.
El proceso de desinfección solar del agua (SODIS) es una tecnología simple, usada para mejorar la calidad microbiológica del agua para consumo humano, es un tratamiento ideal para pequeñas cantidades de agua, que utiliza botellas de plástico llenas de agua contaminada y se exponen a la luz solar por seis horas, este proceso requiere de agua con turbiedad menor a 30 UNT (Keogh, et al 2017). El efecto de la inactivación de microorganismos en el proceso SODIS es atribuido al calentamiento por la radiación infrarroja y a la radiación ultravioleta A (UVA) (Keogh, et al 2017).
En relación con lo anterior, se desarrolló una investigación titulada desinfección foto-catalítica del agua para consumo humano usando luz solar y dióxido de titanio (TiO2) inmovilizado, realizada por Rico, et al (2018).
Una tecnología simple, de bajo costo, accesible y ambientalmente sostenible, para desinfección del agua, que minimice las enfermedades transmitidas por ésta. El proceso que cumple con estas características es el de desinfección solar del agua (SODIS), Figura 4. En esta investigación se mejoró dicho proceso, que puede ser usado en la desinfección del agua para consumo humano a nivel doméstico, e implementarse en lugares donde no hay acceso al agua potable. La mejora consistió en el uso de un reactor solar con TiO2 inmovilizado en vidrio Pyrex (borosilicato con 80 % de transmitancia de radiación UV) en donde se llevó a cabo el proceso de desinfección oxidativa solar, con ello se logró reducir el tiempo de exposición a la radiación solar de seis horas a dos horas y se incrementó la eficiencia de la inactivación de coliformes totales y fecales (Rico, et al 2018).
Figura 4. Montaje de la tecnología experimental para desinfección solar de agua (SODIS).
Con la prueba comparativa del efecto de utilizar SODIS y SODIS con TiO2, se concluye que, al utilizar el fotocatalizador, el proceso de desinfección es más eficiente que el SODIS convencional. En la inactivación de Coniformes totales se requieren de 2 h para SODIS con TiO2 y para SODIS de 4 h, esto representa un 50% menor en el tiempo de exposición solar para desinfectar el agua. Utilizar SODIS con TiO2 también garantiza que cuando se almacena el agua por un periodo de siete días no hay recrecimiento de coliformes totales. Como puede suceder con SODIS convencional (Rico, et al 2018).
La inactivación química de los contaminantes microbiológicos en agua natural o no tratada es normalmente uno de los pasos finales de la purificación para la reducción d microorganismos patógenos en el agua.
La combinación de diferentes pasos o técnicas fisicoquímicas para la purificación del agua sea esta de origen superficial o de pozo profundo tiene como finalidad la producción de agua potable y segura para la salud. Como medida adicional en muchas plantas de tratamiento utilizan un método secundario de desinfección del agua, para evitar y proteger las aguas de la contaminación biológica que se pudiera producir en la red de distribución (Lemus-Pérez, 2017). Normalmente se utilizan un tipo de desinfectante diferente al que se utilizó en el proceso de purificación durante etapas previas. El tratamiento secundario de desinfección (normalmente cloro) asegura que las bacterias no se multiplican en el sistema de distribución y almacenamiento del agua. Esto es necesario porque las bacterias pueden permanecer en el sistema y en el agua a pesar de un tratamiento primario de desinfección, o pueden aparecer posteriormente durante procesos de retrolavado o por mezcla de aguas contaminadas (ej. por inclusión de bacterias en las procedentes de aguas subterráneas que se introducen debido a grietas en el sistema de tuberías o distribución) (Sosa y Sanjuan, 2018).
La desinfección normalmente provoca la corrosión de la pared celular de los microorganismos, o cambios en la permeabilidad de la célula, cambios en la actividad de protoplasma celular o actividad enzimática (debido al cambio estructural de las enzimas). Estos problemas en la célula evitan la multiplicación de los microorganismos. Los desinfectantes también provocan la oxidación y destrucción de la materia orgánica que son generalmente nutrientes y fuente de alimentación de los microorganismos (Almendariz-González, 2017).
Tomando en cuenta lo anteriormente expuesto se presenta una investigación desarrollada por Reddy, et al (2017), Desinfección fotocatalítica a base de TiO2 de microbios en medios acuosos, en este estudio se demostró que el TiO2 tiene un gran potencial para la desinfección / inactivación de patógenos nocivos (como E. coli en medios acuosos) junto con su conocida utilidad en diversos contaminantes químicos. La desinfección por medio del TiO2 se atribuye principalmente a la generación superficial de especies reactivas de oxígeno (ROS), así como a la libre formación de iones metálicos. Además, su capacidad de desinfección y su rendimiento general pueden ser significativamente mejorados a través de modificaciones del material TiO2.
Diversos materiales compuestos con TiO2 en la desinfección de una amplia gama de patógenos microbianos perjudiciales para el medio ambiente (p. ej bacterias, hongos, algas y virus) en medios acuosos. Los factores que influyen (como el diseño del reactor, la química del agua y las modificaciones de TiO2) en estos procesos se discuten junto con los mecanismos de desinfección. Se cree que la aplicación combinada de desinfección y descontaminación será muy importante (Reddy, et al 2017). Los investigadores afirman que esta tecnología de desinfección basada en fotocatálisis ofrece una excelente perspectiva para el tratamiento del agua. Sin embargo, las técnicas adolecen de muchos obstáculos para la mejora de esta tecnología, como la fotocatálisis requiere de diseño de materiales, condiciones de operación, diseño de reactores, etc. Uno de los factores más importantes es la ingeniería de materiales de la fotocatalítica porque deben mejorarse para maximizar su sensibilidad solar o de radiación UV.
En relación con lo anterior Malato et al (2016) Descontaminación y desinfección del agua por fotocatálisis solar: plantas pilotos de la Plataforma solar de Almería. Esta investigación desarrolla una revisión del uso de la luz solar para producir especies radicales de oxígeno mediante nanofotocatálisis de TiO2. La reacción describirá los sistemas necesarios para realizar la fotocatálisis solar y los factores que rigen la cinética de la fotocatálisis, como la concentración inicial de reactivo, la masa del catalizador, el pH, se destacan la temperatura, el flujo radiante y la concentración de oxígeno. Varios enfoques para mejorar la eficiencia de la fotocatálisis de TiO2 también se describirán. Problemas de ingeniería de reactores solares para el tratamiento fotocatalítico del agua y el uso de los procesos fotocatalíticos solares. Con el fin de inactivar microorganismos presentes en el agua, poniendo especial énfasis en los mecanismos que actúan durante el proceso, principalmente la generación de radicales hidroxilo y oxígeno singlete, y en sistemas experimentales realizados para optimizar esta técnica de desinfección
La desinfección del agua es esencial para el consumo de agua segura, además de la conocida tarea de desinfección del agua potable, la segunda cuestión más crítica es la desinfección del agua para la agricultura, el agua de lluvia almacenada o agua superficial utilizada para riego puede acumular bacterias fitopatógenas, hongos y virus.
Los fitopatógenos pueden combatirse con pesticidas, pero esto implica muchos aspectos negativos. El cloro se usa ampliamente, pero tiene el inconveniente de los subproductos de desinfección y su resistencia. Reciente se han próvido investigaciones sobre desinfección solar y fotocatalítica solar combinando sostenibilidad con bajo costo que conduzca a una eficiencia de método de desinfección, no solo para el agua potable, sino también para riego (Malato et al 2016).
La aceleración y mejora de la inactivación de microorganismos en agua bajo radiación solar mediante el uso de fotocatalítico ha sido ampliamente probado utilizando energía radiante artificial y natural, para fotoactivar nanopartículas de TiO2 suspendidas o inmovilizado contra una gran cantidad de microorganismos acuáticos como células bacterianas (Escherichia coli, Enterococcus faecalis, coliformes totales, Salmonella, Pseudomonas, etc.), partículas virales (fago MS2, ARN, bacteriófagos, phiX-174, etc.), esporas de bacterias y hongos (Bacillus subtillis, Fusarium, Candida albicans, Aspergilllus niger, Phytophthora, etc., y parásitos acuáticos. Investigaciones recientes de desinfección con TiO2 se centran más en la desinfección aplicada a microorganismos más resistentes como Bacillus spp., y esporas de Cryptosporidium, Clostridium, partículas virales, esporas de ántrax y resistencia a los antimicrobianos (Malato et al 2016).
La desinfección fotocatalítica en agua requiere decenas de minutos de exposición directa a los rayos UVA en presencia de TiO2 (o un fotocatalizador modificado) para observar cualquier inactivación significativa en el viable microorganismo presentes en el agua. En comparación con el estándar de los procesos de desinfección del agua como UVC (desinfección en pocos segundos), se considera una inactivación microbiana bastante lenta.
Figura 5. Diagrama del mecanismo de accion de la fotocatalisis con luz solar en la desinfeccion de agua.
Contrariamente al cloro, la fotocatálisis mediada por TiO2 no tiene calidad residual ya que su efecto perjudicial se atribuye principalmente a la generación de los ROS bajo radiación UVA, que inmediatamente reaccionan con compuestos orgánicos y microorganismos en agua. Tras la fotoexcitación del catalizador, se genera un rango de los ROS en la interfaz de solución de partículas semiconductoras; principalmente estos ROS son radicales hidroxilo (HO), que según la mayoría de trabajos de investigación son la principal especie responsable de de la inactivación de los microorganismos, el anión radical superóxido (O2-), el radical hidroperoxilo (HO2) y el peróxido de hidrógeno (H2O2), que también puede contribuir al proceso biocida (Patiño, et al 2018; Malato et al 2016).
Diferentes evidencias experimentales señalan que el ataque prolongado de los ROS sobre microorganismos, Figura 5; además existe un acuerdo general sobre el papel principal del radical hidroxilo que oxida los componentes externos de la pared celular, seguido por la formación de poros en la membrana citoplasmática y el ataque directo de los componentes intracelulares da como resultado la pérdida de vitalidad de los microorganismos. Algunos estudios contribuyen a la misma idea que muestran pruebas de la pérdida de fluidez y el aumento de la permeabilidad iónica de pared celular externa (Patiño, et al 2018; Malato et al 2016).
El uso de nuevos materiales fotocatalíticos modificados con fotoactividad en el rango visible tienen un gran interés por las aplicaciones con radiación solar un ejemplo reciente es el dióxido de titanio con un compuesto reducido de óxido de grafeno (TiO2 – RGO), que han sido demostrado para mejorar la eficiencia fotocatalítica de TiO2 nanopartículas en la región visible para la inactivación bacteriana y fúngica (Malato et al 2016).
Este material fue sintetizado por reducción fotocatalítica de óxido de grafeno exfoliado (GO) por TiO2 (Evonik Aeroxide P25) bajo irradiación UV en presencia de metanol como un hueco-aceptor. Los compuestos TiO2-RGO fueron probados para la desinfección de agua contaminada con células de E. coli y esporas de Fusarium solani bajo luz solar natural, que muestra una inactivación rápida y variable de E. coli y las esporas de F. solani. Los resultados mostraron una tasa mejorada en la eficacia de inactivación del compuesto TiO2-RGO en comparación con P25 solo (TiO2 comercial). La alta actividad de TiO2-RGO se atribuyó a la producción de oxígeno singlete con excitación de la luz visible del compuesto de TiO2-RGO que conducirían a la inactivación de E. coli, mientras que las esporas de Dusarium permanecieron resistentes. La membrana de la célula de microorganismos es el objetivo probable para el oxidante oxigeno singlete que causan la pérdida de viabilidad de las células bacterianas. Otros estudios con fotosensibilizadores activos en el rango visible demostraron que la generación de oxígeno singlete puede inactivar el E. coli y Deinococcus radiodurans para la desinfección del agua. (Malato et al 2016).
La morfología de las nanopartículas de fotocatalizador también puede ser objeto de estudio durante la desinfección fotocatalítica. Un estudio reciente investigó cuatro morfologías de TiO2, nanotubos (NT), nanoplacas (NPL), nanorods (NR) y nanoesferas (NS) para la inactivación de esporas de F. solani en agua. Este estudio mostró que el solar con inactivación fotocatalítica de estas esporas estaba relacionada con la exposición de las facetas de TiO2, descubriendo que las nanoesferas de TiO2 tienen la mejor desinfección y eficiencia con respecto a las otras morfologías. La eficiencia de un material para reacciones fotoquímicas y fotocatalíticas con aplicaciones de desinfección del agua dependen del material, su composición y estructura superficial, pero también de la configuración del catalizador en el reactor, este factor puede alterar significativamente la desinfección. (Malato et al 2016).
Hay dos formas de usar el TiO2 para el tratamiento del agua, (i) como partículas suspendidas; y (ii) como inmovilizado sobre soportes apropiados que son resistentes a los procesos fotocatalíticos y también a las condiciones hidrodinámicas (flujo y presión) en el foto-reactor durante el proceso (Figura 6). El uso de uno u otro tipo de configuración también estará determinado por la solicitud o necesidad detectada. Si el sistema está diseñado para purificación de agua potable para consumo humano, el uso de partículas de TiO2 suspendidas, como parte de una intervención de rutina para mejorar la potabilidad del agua a nivel doméstico puede no ser aceptable debido a las preocupaciones sobre la toxicidad de los nanomateriales y las partículas del fotocatalizador tendrían que eliminarse antes consumo (Medina-Pérez, y Fernández-Luqueño, 2018). Para evitar este problema, se puede utilizar el fotocatalizador como un sistema inmovilizado, pero esto resultará en unas menores tasas de desinfección o sistemas más complejos y por ende con mayor costo de ejecución y escalamiento. (Malato et al 2016).
La configuración del catalizador en el reactor (Figura 6) puede significativamente afectar el resultado de desinfección, típicamente suspensiones acuosas de partículas de TiO2 y TiO2 inmovilizado sobre una matriz inerte. Si el sistema está diseñado para la purificación del agua potable, el uso de TiO2 en suspensión no es factible. Desafortunadamente, en la desinfección fotocatalítica, casi todos los TiO2 inmovilizados tenían muy poco rendimiento o implica un esfuerzo técnico que conduce a un alto costo. La inmovilización de TiO2 produce una desinfección más baja en comparación con los sistemas de lodos de óxido de titanio. (Malato et al 2016).
Figura 6. Reactores solares experimentales: A.- Reactor tipo placa plana o cascada, B.- Reactor cilindro parabólico de un eje, C.- Reactor cilindro parabólico compuestos de dos ejes móviles o seguimiento solar, D.- Reactor tipo carrusel, E.- Reactor bach de bosorosilicato o cuarzo, F.- Reactor bach de balsa superficial.
El modo de irradiación en el fotoreactor también tiene una gran influencia sobre el comportamiento de desinfección. Cuando la exposición a la luz es continua (sin interrupciones temporales) el efecto bactericida del proceso es rápido y más eficiente que cuando la luz se aplica de forma intermitente porque los mecanismos bacterianos de reparación oscura permiten que las bacterias se reactiven después del tratamiento (Betancur, Hernández, y Buitrago Sierra, 2016; Malato et al 2016). Este hecho también puede atribuirse al daño parcial producido por la radiación que no puede inactivar totalmente todas las colonias de bacterias presentes en el agua. Por lo tanto, hay aspectos que son esenciales como generar una tecnología en desinfección fotocatalítica solar que permitan:
(i) la optimización de los fotorreactores teniendo en cuenta los procesos y sus requisitos específicos;
(ii) el desarrollo de esquemas de procesos viables (lote, continuo, semicontinuo);
(iii) el desarrollo de estrategias de control del proceso; (iv) la influencia de los parámetros del proceso;
(v) la evaluación de la influencia de los parámetros fisicoquímicos del agua,
(vi) que descubra aplicaciones diferentes a la desinfección de agua potable (como un sistema libre de químicos para controlar los patógenos en la agricultura) (Malato et al 2016).
CONCLUSIONES
La revisión de los conceptos y fundamentos de la fotocatálisis permitió esclarecer este proceso, la descripción de las reacciones posibles en la superficie del TiO2 ha abierto el campo de investigación sobre aplicaciones de interés en el tratamiento de agua, por hidrólisis, o a través de la degradación de contaminantes como materia orgánica natural. Sin embargo, la eficiencia de estas aplicaciones requiere mejorar a través de estrategias de modificación de los fotocatalizadores existentes, para esto, es importante recordar que los parámetros que benefician ciertas reacciones pueden tener un efecto perjudicial en otras, y, por tanto, un análisis más profundo debe ser realizado en su puesta en práctica. El desarrollo de fotocatalizadores exige a la comunidad científica mejorar la capacidad que tienen los semiconductores para adsorber la radiación solar y ultravioleta para mejorar su eficiencia. Como proceso de desinfección la fotocatálisis posee un amplio espectro de acción para la eliminación de microorganismos como bacterias, virus, hongos y protozoos. Este proceso tiene amplia efectividad en la eliminación de coliformes fecales y totales gracias a la generación de sustancias radicales de oxígeno que permiten la inactivación de estas especies indicadoras de contaminación de agua potable. La desinfección mediante esta técnica tiene como principal objetivo la eliminación de las especies de microorganismos presentes en el agua al momento de la reacción, lo que hace necesario el uso de un sistema de desinfección secundario (cloración u otros) que permitan la desinfección de la red de distribución y de almacenamiento del agua potable. Entre sus ventajas es que con este sistema se puede utilizar luz solar permitiendo realizar una reacción fotocatalítica sustentable energéticamente, disminuyendo la materia orgánica natural y por lo tanto la cantidad de carbono asimilable por los microorganismos disminuyendo su multiplicación y al mismo tiempo la generación de sustancias orgánicas toxicas por la adición de un desinfectante secundario como el cloro.
FINANCIAMIENTO
No monetario.
AGRADECIMIENTO
Al Centro de Investigaciones en Ambiente, Biología y Química y a la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de Carabobo; por apoyar el desarrollo de la investigación.
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