Sección 1

Introducción

En el pasado había una tendencia a pensar que la potencia ultrasónica (y la eléctrica) iba a ser muy cara para ser utilizada en el tratamiento de aguas residuales a escala industrial.

Estos cálculos se basaban en extrapolaciones directas del consumo energético en pequeños reactores de escala laboratorio, pero los desarrollos actuales están demostrando que los costes son competitivos respecto a otras tecnologías.

La tecnología electroquímica ya ha sido probada a nivel laboratorio, planta piloto y escala industrial, y el grupo de investigación tiene varios años de experiencia en este campo. La planta piloto ya está en funcionamiento y se han ejecutado con éxito algunos proyectos para clientes españoles y europeos. Todos los técnicos y responsables de la plantilla tienen la suficiente experiencia para garantizar el éxito de cualquier proyecto.

Respecto al enfoque sonoquímico y sonoelectroquímico, se sabe que son potentes tecnologías para el tratamiento de varios residuos. Actualmente, el grupo tiene experiencia en la degradación de compuestos clorados mediante sonoquímica, electroquímica y sonoelectroquímica. La tecnología sonoelectroquímica se ha desarrollado a escala de laboratorio.

Sección 2

Tecnologías Sonoquímica y Sonoelectroquímica

2.1. Sonoquímica. Electroquímica. Sonoelectroquímica

La tecnología sonoquímica está basada en los efectos químicos que surgen cuando ondas de ultrasonidos de alta potencia se propagan en el medio de reacción, generando o, en su caso activando reacciones químicas como consecuencia de la introducción de la energía ultrasónica (de frecuencia y energía mayores a la audible para seres humanos).

La tecnología electroquímica se basa, por su parte, en el desarrollo o activación de reacciones químicas como consecuencia de la introducción de energía eléctrica en el medio. La tecnología sonoelectroquímica utiliza ambas fuentes de energía para el desarrollo de reacciones químicas aprovechando de forma cooperativa las ventajas que proporcionan ambos fenómenos, tanto por sus efectos químicos como físicos.

2.2. Fenómeno de ‘cavitación’

Especial relevancia presenta la cavitación que se produce cuando un campo de ultrasonidos (20 KHz – 10 MHz) se propaga, como pulsos de frecuencia definida desde un emisor, para establecer la formación, crecimiento e implosión de pequeñas burbujas dentro del medio de reacción (estrés inducido).

Una onda sonora consiste en ciclos de compresión y descompresión. Si la presión durante el ciclo de descompresión es demasiado baja o la frecuencia suficientemente alta, el líquido puede separarse y producir pequeñas burbujas. Estas burbujas surgidas debido a la cavitación son el corazón de los sistemas sonoquímicos y están sujetas al estrés inducido por las ondas sonoras; esto causa que las burbujas crezcan (diámetro promedio 100 μm) durante la fase de descompresión y se contraigan o provoquen una implosión durante la fase de compresión (Fig. 1).

Según la teoría del Hot Spot, estas burbujas pueden ser consideradas como minúsculos reactores donde se generan altas temperaturas (mayores a 5000 °C) y altas presiones (de 2000 atm, cercanas a las de las fosas marinas), además de la generación de H+ y OH-

por radiación ultrasónica; lo que confiere un medio de reacción altamente energético, a nivel microscópico (energía de micro-entorno).

Fig. 1 Ciclo de vida de la burbuja de cavitación.

Observaciones del fenómeno de cavitación datan de fines del siglo XIX. En los 50’s se aplicó con éxito en reacciones de degradación de compuestos orgánicos, y en los 70’s para detoxificar aguas residuales

La ventaja de este fenómeno es que puede llevarse a cabo reacciones, con combinación de ambas fuentes de energía, a temperatura y presiones ambientales pero que en cada micro-burbuja se está llevando a cabo reacciones en condiciones extremas y que, con los tratamientos convencionales supondrían un alto nivel de coste y peligrosidad.

Aspectos innovadores de la tecnología

• Los tratamientos sonoquímicos, electroquímicos y sonoelectroquímicos son capaces de acometer la destrucción de un amplio abanico de residuos tóxicos en un amplio intervalo de concentración evitando la generación de residuos y evitando presiones y temperaturas altas.

• En algunos casos, no sólo depuran el residuo, sino que son capaces de recuperar los contaminantes para su reutilización, como por ejemplo, los metales.

• Este tipo de tecnología es especialmente interesante para residuos refractarios, altamente no biodegradables tóxicos y peligrosos, en aquellos casos donde las tecnologías convencionales no son eficaces.

• Se pueden diseñar para ajustarse a los requerimientos de contaminantes individuales.

• Evita emisiones de gases con azufre y partículas de metal, y utiliza la corriente eléctrica como reactivo, con disponibilidad total y no sujeta a oscilaciones de mercado.

Esta tecnología, aún en desarrollo, presenta las siguientes ventajas respecto a las convencionales:

Capacidad de tratar residuos muy tóxicos a temperatura y presión ambientales.

Al utilizar en muchos casos la corriente eléctrica como “reactivo” se evita el uso de reactivos químicos convencionales, se puede considerar “Química Verde”.

El consumo energético depende del grado de contaminación, en el caso de aguas residuales de la DQO.

Tratamiento fácilmente controlado por accionamiento de la fuente de corriente y su velocidad regulada por el valor de la intensidad de corriente eléctrica (puede ser controlado totalmente por un ordenador personal).

Son seguros y de muy bajo coste, apenas producen residuos, en algunos casos muy puros que pueden ser vendidos como reactivos.

Se pueden tratar efluentes incluso de baja conductividad.

Sección 3

Aplicaciones de la Sonoquímica y la Sonoelectroquímica

La verificación de que el fenómeno de cavitación se logra desde 20 KHz hasta los 2 MHz ha ampliado el rango para la sonoquímica (energía ultrasónica, ver Fig. 2). Si bien la cavitación es el fenómeno de nuestro interés como fuente de energía útil en reacciones químicas, el rango de frecuencias más allá de 5 MHz, las cuales no producen cavitación, tienen una amplia aplicación como ultrasonido de diagnóstico (UD) para ‘diagnóstico’ o ‘monitoreo’, en áreas de medicina y procesos industriales.

Fig. 2 Límites umbrales del sonido según su aplicación general.

El cuadro siguiente expone algunas aplicaciones específicas:

Cuadro 1 Campos de aplicación de la energía ultrasónica.

3.1. Síntesis de óxidos metálicos nanoestructurados vía sonoquímica

En la actualidad, el estudio y preparación de nanopartículas metálicas es de mucho interés en investigación y tecnología de materiales, ya que sus propiedades, como conductividad eléctrica, dureza, área superficial activa, reactividad química y actividad biológica cambian drásticamente.

La sonoquímica es utilizada para producir una capa fina, homogénea y nanoestructurada en la superficie de los materiales cerámicos y poliméricos, las que están ancladas a la superficie mediante enlaces químicos o interacciones físico-químicas con el sustrato.

Síntesis de óxido de cobre nanoestructurado vía radiación gamma o ultrasonido

Desde la antigüedad, el cobre se ha usado en la desinfección natural del agua para prevenir la propagación de enfermedades. De modo que, los científicos han tratado de aprovechar estas propiedades antimicrobianas para su empleo en medicinas, productos de higiene oral, antisépticos, instrumentos médicos, textiles, etc.

Se han sintetizado nanopartículas de óxido de cobre (CuO) mediante irradiación gamma o ultrasonido (Fig. 3). Las nanopartículas de CuO obtenidas mediante ultrasonido son nanoesferas con una actividad antimicrobiana similar a la de las nanopartículas de CuO obtenidas con radiación gamma frente al Staphylococcus aureus y Escherichia coli.

Fig. 3 Esquema 3D de la estructura cristalina del CuO.

Fig. 4 Micrografías MET de partículas de CuO impregnadas en tejidos de algodón.

De manera aplicativa, la impregnación de nanopartículas de óxido de cobre en las fibras textiles (Fig. 4) hace posible la producción de una nueva generación de textiles antimicrobianos que usan nuevos procesos de fijación de nanopartículas en las fibras. Las telas fabricadas con estas fibras pueden usarse para el tratamiento de heridas y aplicaciones médicas en lugares donde la presencia de bacterias es un peligro.

3.2. Degradación sonoquímica y sonoelectroquímica de contaminantes

Debido a la creciente presencia de compuestos no biodegradables en residuos, aguas residuales y/o aguas subterráneas, los métodos biológicos de depuración no pueden degradar dichos residuos para su total tratamiento y, por tanto, se hace necesario desarrollar nuevas tecnologías que puedan degradar completamente dichas moléculas o, en el caso de aguas contaminadas, transformarlas en biodegradables para ser posteriormente tratadas en plantas depuradoras con métodos biológicos.

El fenómeno denominado ‘cavitación’ es responsable de la termólisis y de las reacciones por formación de radicales que derivan en la degradación del contaminante.

En este sentido, la sonoelectroquímica puede ser un método efectivo de degradación no solo para aguas residuales, sino para un amplio rango de residuos, tanto inorgánicos como orgánicos (halocompuestos, fenoles, tintes, cianuros, purinas, etc.)

El método apropiado para el tratamiento de un residuo específico se puede desarrollar utilizando ambas tecnologías, sonoquímica y electroquímica o su combinación, en el mismo dispositivo:

• Modo simple, aplicando uno de los dos campos, el acústico o el eléctrico.

• Modo alternativo, aplicación alternativa y consecutiva de ambos campos.

• Modo simultáneo, ambos campos se aplican a la vez.

• Modo serial en cascada, ambos campos se aplican a la vez, y durante ciertos periodos de tiempo, se deja de aplicar un campo, dejando el otro funcionando.

El programa y modo de tratamiento dependerá de la naturaleza del efluente o residuo a tratar y puede plantearse como degradación total, adecuar el vertido para su posterior tratamiento en una planta convencional o para ajustarse a la normativa de vertido.

Hasta el momento, el tratamiento sonoquímico ha sido utilizado para degradar disoluciones o suspensiones acuosas de:

• Disolventes organoclorados e industriales en general.

• Compuestos refractarios en general.

• Residuos industriales de naturaleza química diversa.

• Tensoactivos, tintes y colorantes.

• Residuos de la producción de aceite.

• Fenoles y derivados fenólicos (producción de plaguicidas).

• Cianuro y nitrito.

• Purificación de agua residual y reducción del contenido de DQO en cualquier efluente.

• Lixiviados.

El tratamiento sonoelectroquímico permite igualmente un tratamiento global de vertidos de diversa naturaleza, pero la inclusión del campo de ultrasonidos ha permitido obtener en algunos casos un mayor rendimiento.

3.3. Sectores de Aplicación

Estos métodos de tratamiento pueden ser interesantes para:

Industrias con una eliminación de residuos de amplia gama de concentraciones, volumen o productos. Pueden ser clientes potenciales la industria textil, metal, manufacturera, industria química, etc.

Consultoras del sector medioambiental con actividades en el tratamiento de efluentes que busquen incorporar nuevos métodos más efectivos a sus procesos.

Lista de referencias

[1] Universidad de Alicante “Tratamiento de residuos mediante tecnología sonoquímica, electroquímica y sonoelectroquímica”. Vicerrectorado de Investigación, Desarrollo e Innovación - SGITT – OTRI.

[2] Padilla, K. R., Blanco, L. M., Orozco, S. y Jáuregui, F. (2004) “Degradación oxidativa del 2,4-diclorofenol por vía sonoelectroquímica”. Ciencia UANL / Vol. VII, No. 1.

[3] Plataforma Tecnológica Española de Química Sostenible, PETEQUS (2006) “¿Para qué la Sonoelectroquímica?”. Boletín informativo PETEQUS / Año II. Número 4.

[4] León, K., López, A., Gago, J. y Solís, J. (2010) “Síntesis del óxido de cobre nanoestructurado asistida con irradiación gamma o ultrasonido y sus propiedades antimicrobianas”. Proyecto PROCYT 284-2010.

[5] Arroyo, J. y Flores, J. (2001) “Degradación ultrasónica de contaminantes orgánicos” Rev. Per. Quím. Ing. Quím. Vol. 4, Nº 2, Págs. 3 – 14.