Jingquan Li
Jingquan Li
Jingquan Li
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE QUÍMICA
2014
i
AGRADECIMIENTOS
2
INDICE
GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS 4
RESUMEN 6
OBJETIVOS 7
CATITULO I: INTRODUCCION 9
1.1 GENERALIDADES DEL OZONO 10
1.2 QUÍMICA DEL OZONO 12
1.3 MÉTODOS DE MEDICIÓN DE OZONO 15
1.4 TOXICIDAD Y NORMATIVA DEL OZONO 19
1.5 IMPORTANCIA DEL OZONO EN LA DESCONTAMINACIÓN AMBIENTAL 21
CAPITULO II: TECNICAS COMERCIALES PARA LA PRODUCCIÓN DE OZONO 23
INTRODUCCIÓN AL MÉTODO DEL EFECTO CORONA PARA
I I . I , 24
GENERACION DE OZONO
INTRODUCCIÓN AL MÉTODO FOTOQUÍMICO PARA GENERACIÓN DE
II.2 29
OZONO
INTRODUCCIÓN AL MÉTODO DE GENERACIÓN DE OZONO POR
II. 3 , 30
ELECTROLISIS DEL AGUA
CAPITULO III: TECNICA ELECTROQUIMICA PARA LA PRODUCCION DE OZONO 31
III. I INTRODUCCIÓN 32
111.2 ESTUDIO DE ELECTRODOS PARA GENERACIÓN DE OZONO 33
111.3 DISEÑO DEL SISTEMA GENERADOR ELECTROQUÍMICO DE OZONO 39
RESUMEN DE LAS TÉCNICAS Y ELECTRODOS ELECTROQUÍMICOS
111.4 44
PARA GENERACION DE OZONO
CAPITULO IV: APLICACIÓN DE OZONO EN REMEDIACIÓN AMBIENTAL 46
IV.I APLICACIÓN DE OZONOEN DESINFECCIÓN DE AGUA 47
IV.2 APLICACIÓN DE OZONO EN DECOLORACIÓN 52
IV.3 APLICACIÓN EN SISTEMA DE AGUA PURA 58
CAPITULO V: CONCLUSIONES 6-4
CAPITULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 66
CAPITULO VII: ANEXOS 70
3
GLOSARIO
4
GENERALIDAD Y GENERACIÓN
ELECTROQUÍMICA DE OZONO
5
RESUMEN
El presente trabajo trata acerca del estudio de las generalidades y química del ozono tanto
en la estratosfera, troposfera así como en el agua. Se hará una revisión de las normas
legales, límites permisibles en el medio ambiente y también los efectos en la salud de las
personas. El ozono por su alto poder oxidante resulta muy atractivo para la
descontaminación ambiental ya que, debido a su corta vida media oxida rápidamente los
contaminantes y no deja residuos peligrosos. Se estudiarán las ventajas y desventajas que
tiene el ozono en la descontaminación de aire y agua; desde contaminantes inorgánicos
hasta microorganismos.
6
OBJETIVOS
7
• Revisar los fundamentos químicos del ozono en los procesos de oxidación.
8
CAPITULO I: INTRODUCCION
9
1.1. GENERALIDADES DEL OZONO
El ozono es conocido por la función protectora que ejerce sobre nuestro planeta actuando
como un escudo protector frente a las fracciones peligrosas de las radiaciones ultravioleta
solares. Se ubica en la parte alta de la atmosfera (estratosfera) constituyendo lo que se ha
venido llamado capa de ozono (ubicado a 25-30Km de la superficie terrestre).
El ozono, que apareció sobre nuestro planeta hace aproximadamente 1500 millones de
años, permitió que la vida evolucionara desde el agua hacia tierra firme. La función que
tiene el ozono estratosférico es básicamente de protección frente a las radiaciones
ultravioletas de corta longitud de onda comprendida entre 260-280nm, llamamos
radiaciones ultravioletas (UV) al conjunto de radiaciones del espectro electromagnético
con longitud de onda menores que la radiación visible, desde los l50-400nm. Asimismo
absorbe las radiaciones infrarrojas procedentes de la tierra, y por ende protege a la tierra
del calentamiento global. La capa de ozono no supera los 2-3mm y la concentración de
ozono encontrada es de lmg/m3. La otra función que tiene la capa de ozono es de
mantener el equilibrio térmico de la atmosfera.
10
¡i) UV-B (longitud de onda entre 280-320nm) absorbido casi en su totalidad por el ozono
es la que causa mutación del ADN (ácido desoxirribonucleico) y cáncer a la piel.
i¡¡) UV-C (longitud de ondas menores a 280nm), que es extremadamente peligroso, pero
es absorbido completamente por el ozono y el oxígeno.
11
Al mismo tiempo que se forma el ozono, otro sistema lo destruye. Si esta fuerza
destructiva predomina sobre la formadora, entonces se forma lo que llamamos el
agujero en la capa de ozono.
En realidad no es que exista un agujero en la capa de ozono como tal, lo que sucede
es que la cantidad de ozono en la capa es mucho menor que la cantidad promedio en
la estratosfera, el tamaño promedio del espesor de la capa de ozono en la estratosfera
es igual a l,4mm. En contraste el agujero de ozono de la Antártida alcanza apenas a
lmm. [4]
12
En la Tabla N° 1, se presenta la comparación de las propiedades del ozono (O3) y del
oxígeno molecular (O2).
Tabla N0 1: Comparación de las propiedades del ozono y el oxígeno molecular [1]
El ozono (O3) es una molécula compuesta por tres átomos de oxígeno, formada al
disociarse los dos átomos que componen el gas de oxígeno. Cada átomo de oxígeno
liberado se une a otra molécula de oxígeno (O2), formando moléculas de Ozono (O3). El
mecanismo de formación de ozono en la estratosfera comprende dos etapas:
hv
0 2(g) ----- > 0(g)+0(g) k = 242nm (I)
13
En la naturaleza se le suele encontrar como resultado de las descargas eléctricas
producidas en las tormentas y en las capas altas de la atmósfera, particularmente en la
troposfera, como consecuencia de la acción de los rayos ultravioleta sobre las moléculas
de oxígeno (O2). Pero también se puede concentrar en las capas bajas de la atmósfera
(ozono troposférico) donde se ha convertido en uno de los contaminantes más habituales
de las zonas urbanas, con efectos claramente perjudiciales para la salud. El ozono se
descompone fácilmente para formar la molécula de oxígeno (O2), en un proceso
claramente exoenergético, de acuerdo con la siguiente reacción:
hv
0 3(g)---- > 0 2(g) + 0 ( g) AH ° =- l 44 kJ/mol (3)
El ozono es la segunda molécula con más poder oxidante, superado solo por el flúor.
Puesto que el ozono es un oxidante no contaminante (el ozono se reduce a oxígeno
durante la oxidación de compuestos orgánicos), su uso es muy superior a la del flúor.
Desde mediados de los años 70, el ozono ha recibido una considerable atención luego de
que se demostró que los radicales hidroxilos se forman en el agua ozonizada en la
presencia de la luz ultravioleta (UV), o peróxido hidrógeno. Estos radicales hidroxilos
son agentes oxidantes mucho más fuertes que el ozono en sí. [ 1]
14
En la Tabla N° 2, se presenta el tiempo de vida media del ozono en fase gas y residual en
el agua debido al efecto de la temperatura. Estos datos fueron obtenidos sin considerar
efectos de agentes catalizadores.
A. Método Yodométrico
Este método, consiste en el burbujear el gas que contiene ozono (O3) en una solución de
yoduro de potasio (Kl). La reacción empleada para estimar el flujo másico de ozono,
consiste en la liberación de yodo de la solución de yoduro de potasio. En esa reacción el
elemento activo es la molécula de O2 liberado de la molécula de O3. La reacción de
oxidación del yoduro de potasio por el ozono es representada por:
Para analizar la mezcla gaseosa rica en ozono, se utilizó tres probetas graduadas de
I OOOml, colocadas en serie, cada una con 500 mi de solución de yoduro de potasio.
15
La corriente gaseosa fue burbujeada en el fondo de cada probeta con el auxilio de un tubo
de vidrio de 3mm de diámetro interno. Cuando la corriente gaseosa dejaba la tercera
probeta, está ya no contenía ozono. Sin embargo, por seguridad, la corriente gaseosa fue
transportada hasta el eliminador de ozono. La reacción producirá yodo (1:1), el cual debe
ser titulado inmediatamente con tiosulfato de sodio (Na2S2Ü3) hasta la aparición de una
coloración amarillo pálido. La concentración de ozono puede ser calculada por el
consumo de tiosulfato de sodio. [22]
25 *£
3h(i) + ¿[SaOslcoc)' * 6W ) + f5)
B. Absorción de luz UV
C e ld a de re fere n cia S e n s o r - UV
(refere n cia)
D-
G a s o líq u id o
^ de re fere n cia ^
L ^ p ^ a UV S e n s o r - UV
C e ld a de a b s o r c ió n UV (m u e sU a )
J U n id a d
de
B = 3 - -h | conta-ol
X = 254 run G a s o líq u id o
a medu
16
La concentración de ozono se calcula empleando la relación de Lamber-Beer:
lm = lre~aLC (6)
Dónde:
Im= atenuación de haz de luz en la celda de absorción
Ir = intensidad de luz de referencia
a = coeficiente de absorción molar del ozono a 0oC y 760 mm de Hg
L = longitud de la celda de absorción
C = concentración de ozono
Con esta técnica se puede medir concentraciones de ozono en fase gas de hasta 600g/m3 y
hasta 150g/m3 de ozono residual en el agua. Este método presenta interferencia positiva
con cualquier contaminante en la muestra que absorbe luz a 254nm, por ejemplos los
hidrocarburos aromáticos, el vapor de Hg y el dióxido de azufre. [22]
C. Método Amperométrico
17
D. Colorimetria
Aplicando este método hay dos formas de medir el ozono residual en agua, este depende
del tipo de indicador a usar que es:
¡) N'N-Dietil-p-fonilendiamina
¡i) Indigocarmín
18
1.4. TOXICIDAD Y NORMATIVA DEL OZONO
A. Inhalación
El ozono es un gas tóxico que a concentraciones elevadas puede tener efectos en la salud
humana, afectando principalmente al aparato respiratorio e irritando las mucosas,
pudiendo llegar a producir afecciones pulmonares. El aparato respiratorio es el principal
perjudicado por la acción del ozono, siendo los primeros síntomas que se detectan tos,
dolor de cabeza, náuseas, dolores pectorales y acortamiento de la respiración. Estos
síntomas se han observado para concentraciones de 240 pg/m3 (umbral de alerta). Si los
niveles de ozono superan este nivel puede producirse también inflamaciones pulmonares,
híper-reactividad de las vías respiratorias y un grave deterioro de la actividad pulmonar.
19
los efectos potencialmente adversos y agudos y proporcionar un margen adicional de
protección, también ha recomendado un valor guía de exposición al ozono entre 100-120
pg/m3 para 8horas (valor objetivo a largo plazo para la protección de la salud).
El ozono se encuentra bajo sospecha de tener potencial cancerígeno (clasificados dentro
del grupo B). [20]
C. Límites permitidos
Son recomendados para áreas de trabajo los siguientes niveles máximos de ozono en el
ambiente:
i) 0.05 ppm, trabajo pesado.
ii) 0.08ppm, trabajo moderado.
iii) 0.1 ppm, trabajoligero.
En la tabla N0 3, se observa los distintos tiempos de exposición del ozono y los límites
permitidos.
Exposición Límites
Olor detectable tos/irritación 0.01 -0.05ppm
8min 1 ppm
1 min 10 ppm
Limites OSHA 8h 0.1 ppm
Limites OSHA 15 min 0.3 ppm
Concentración mortal en < 1 min 10 000 ppm
20
1.5. IMPORTANCIA DEL OZONO EN LA DESCONTAMINACION
AMBIENTAL
La primera experiencia de desinfección de agua con ozono fue en 1886 por la empresa
Siemens & Halske, las pruebas en planta piloto han demostrado eficacia del ozono en
matar bacterias. Años más tarde, en 1893, en Holanda se instaló la primera planta de
tratamiento de agua potable a gran escala.
El ozono por las peculiaridades que presenta tiene amplia gama de aplicaciones tanto en
la industria, tratamientos terapéuticos y lo más importante en la descontaminación del
medio ambiente. Se han demostrados numerosas ventajas del ozono en la aplicación
ambientales tales como:
21
Tabla N° 4: Algunos microrganismos patógenos que el ozono elimina (Ver tabla
completa en anexos) [13]
03 Oxidizing Micrrorganisms
♦
t
23
II.l. INTRODUCCION AL METODO DEL EFECTO CORONA PARA
GENERACION DE OZONO
El efecto corona es el fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de las líneas
de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a sus alrededores. Dado que los
conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el
nombre del fenómeno.
El fenómeno consiste en la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión
y que tiene lugar cuando el gradiente eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire,
manifestándose en forma de pequeñas chispas o descargas a escasos centímetros de los
cables.
La descarga corona es el mejor método actualmente para generar ozono. Para obtener
ozono por medio de la descarga corona, considerada como una descarga parcial en un gas,
es necesario tener un arreglo de electrodos que permita manejar campos eléctricos
superior a 20 KV/cm, sin que suceda una descarga sostenible. Estos niveles de campos
eléctricos proporciona la energía necesaria para disociar las moléculas de oxigeno que
formaran, tras su recombinación, el ozono.
La formación de ozono se efectúa en una celda de descarga que está constituida por dos
electrodos, un dieléctrico y un gap o espacio por donde circula el oxigeno que se
encuentra en el interior.
2 5 0C
0 3(g) AH 298 = 34.1 Kcal/m ol (1)
6 1 + 0 2 (g) ------* 2 0 ‘ + 6 1 ( 2)
24
Donde M representa una molécula de un gas inerte activado (por ejemplo N2). Como se
observa en el mecanismo de la reacción, en (2) se inicia cuando los electrones libres, que
tiene una alta energía (e'1), chocan con una molécula de oxigeno dando como resultante
la disociación de ella. En (3) se forma el ozono por una colisión del tercer orden. Como
resultado de la absorción de energía durante colisión, la molécula de gas inerte se
convierte en una molécula excitada, M*.
Esto hace que la reacción de formación de ozono tenga baja eficiencia, pero comparado
con la eficiencia del proceso fotoquímico, el corona resulta más alta en 2-15 %, a una
intensidad de corriente de 1 a 1.3 Acm-2. Este método resulta una buena alternativa para
la producción de ozono y ya es comercializada, pero en lugar de utilizan oxígeno puro
como fuente usan al aire.
25
En el proceso de formación se va a generar principalmente el NO, luego de varias
reacciones se irán generando los derivados NOx, y las concentraciones se muestra en la
tabla 6. Los procesos de formación son los siguientes:
N 2(g) + 0 4~ N °tó ) + N (6 )
N + O H ------ (8)
* N 0 (s) + H
Los NOx son compuestos tóxicos, se debe evitar la exposición de estos gases.
La potencia de generación de ozono con aire como fuente va desde 15 hasta 20 Whg-I,
sin embargo con oxígeno puro la potencia va desde 9 hasta 20 Whg-I.
La producción de O3 es el resultado de la competencia entre los pasos (2) - (3) y (4) - (5).
La literatura señala como factores experimentales que afectan a la eficiencia del proceso
corona para la producción de O3 a la temperatura del gas entrante, el contenido de
oxígeno, la presencia de contaminantes en forma de gas, la energía eléctrica y el flujo de
gas. [23,9]
26
Inicialmente se obtuvo las ideas generales de la tecnología del ozono para elaborar un
conjunto de experimentos que permitieran obtener resultados cuantitativos y cualitativos
aplicables a la construcción del generador de ozono.
La celda de descarga descrita fue diseñada para trabajar a alta frecuencia (9KHz). El
ozono es generado a partir del oxigeno contenido en un flujo de 41 pm que se hizo
circular entre los electrodos y el dieléctrico. [7,8]
ENEiGU.
1 (S.^OO .^Y oki)
‘‘7; Reve^^en:o mer^co - pb:a ' * ?í'
til
Electtofo
(1-3 ^m)
27
Para obtener el alto voltaje a alta frecuencia se construyo una fuente eléctrica utilizando
un inversor con transformador de toma media, con dos transistores auto excitados. El
transformador de núcleo de ferrita, con un devanado auxiliar para la excitación de los
transistores de potencia, y dos devanados principales con una relación de espiras 1: 560.
El circuito es mostrado a continuación en la figura N° 6.
28
II.2. INTRODUCCION AL METODO FOTOQUIMICO PARA GENERACION
DEL OZONO
O2C9)+ — * 20 ■ <9>
o - + o 2(g) ^ o 3(g, (io)
29
U.J. INTRODUCCION AL METODO 1)1 GENERACION D E F I N O l'OU
ELECTROLISIS DE AGUA
Los procesos para producción de ozono por descarga dócirictt en lose gaseoso (proceso
corona) o Absorción por radiación UV (proceso fotoquímlco) tienen lo desventaja de la
baja producción de O iy generación de otros contaminantes coitio los Nt>x, para superar
estas dificultades se han propuesto varios procesos electroquímicos para la prmlm ción de
ozono mediente la electrólisis de agua, originando una nueva tecnología para la
producción de ozono llamada PRODUCCION Di OZONO Id Id !TKQ(|lJIMICO fistos
procesos pueden generar alta concentración de ozono comparados a los procesos
convencionales y es posible la combustión de varips.xonlamniunles orgánicos resistentes.
• H agua del proceso que está siendo desinfectada es la fuente de oxigeno para la
generación do ozono por lo tanto, no se introduce ningún contaminante exterior al
sistema que está siendo tratado.
• fil ozono se disuélvela el agua de proceso tan pronto como se forma en el proceso, y
da logara la ozonización de los contaminantes.•
30
CAPITULO III: TECNICA ELECTROQUIMICA
PARA LA PRODUCCION DE OZONO
31
III.l. INTRODUCCION
3 H 2 0 (m :} — * °3 (g ) + 6 H ta c ) + E 0 = 1.51 V (1)
H 20 ( O H * ) a d s + H + + e~
( O H * ) ( 0 * ) a d s + H + e‘
2 ( 0 * ) a d s ^ ( 0 ^ a d s ^ ( 0 2)
(O )ads ^ ( 0 2 )ads ^ O3
H O 3* 03 + H"
32
Analizando estas reacciones se puede deducir el comportamiento de las reacciones a
diferentes pH. Por el principio de L'Chatelier, se deduce que si reducimos d pH, esdecir
aumenta la concentración de iones hidronio (ion hidrógeno), la tendencia será de formar
más cantidad de agua generando la descomposición del ozono (2) influyendo en su
enciencia de formación, tín el caso de la reacción de descomposición delUxígeno, la
tendencia será de formar agua (3).
Fj sistema que se usa actualmente, se basa en una membrana conductora que transporta
los iones que se descomponen a partir del agua, generándose en el ánodo el ozono y en el
cátodo el hidrógeno. La membrana permite que se transporten losionessin interaccionar
con el medio acuoso por estar en la membrana, una vez que se transportan a los
electrodos correspondientes reaccionan los átomos de oxígeno en el ánodo formando
ozono, también forman oxígeno molecular, como reacción de competencia. En el cátodo
se forma el hidrógeno como reactante. Los detalles del sistema se describirán a
continuación. |6|
33
Para que la producción electroquímica de ozono sea eficiente, vanos parámetros
influencian el sistema. Uno de los parámetros más importantes para la producción de
ozono es la selección adecuada del material anódico, las características principales de
tales materiales son: tener alto sobrepotencial de reacción de evolución de oxígeno y alta
estabilidad frente a la polarización anódica en el electrolito. Varios materiales anódicos
se han estudiado, por ejemplo Pt, DSA, Au, Pd, PbÜ2, SnÜ2, diamante y carbón vitreo.
De los cuales solo el Pt, PbÜ2 y el SnÜ2 dopado con Sb presentan estudios confiables
debidos a sus considerable eficiencia de corriente para la generación de ozono.
Desde su descubrimiento por Schonbein (en 1940) de que el ozono pueden ser generado
cuando electrolizan una solución salina y solución acuosa acida en el electrodo de Pt, el
sobrevoltaje de evolución del oxígeno en platino puro es el más alto observado y es más
alto dentro de los metales nobles y sus aleaciones. Los estudios de generación de ozono
con Pt fueron muy estudiados [10].
Sin embargo, las investigaciones antes mencionadas siempre emplea ácido sulfúrico
concentrado o acido perclórico como electrolito y a temperaturas muy bajas y bajo
densidad de corriente. La temperatura generalmente oscila entre -I4°C y -64°C y la
densidad de corriente fue varias decenas de amperios por centímetros cuadrados. Bajos
estas configuraciones, debido a que la densidad de corriente es muy alta, el calor
generado en el electrodo es muy grande y por lo tanto el sistema de refrigeración tiene
gran influencia sobre la eficiencia en la generación de ozono. La tasa de transferencia de
calor y el modo de evolución del gas electrolítico son los dos factores críticos que afectan
la eficiencia de generación de ozono debido a dos procesos análogos que son la
descomposición del ozono y el aumento de evolución de ozono en el ánodo debido a la
alta temperatura. A pesar de que la densidad de corriente es de decenas de amperios por
centímetro cuadrado para la generación de ozono, debido a que el Pt es el catalizador
más e table, éste experimenta un mínimo de desga te, por eso sigue siendo un buen
material catalítico para la producción de ozono. [12]
34
B. Generación de ozono electrolítico con PbÜ2
El uso del PbÜ2 como material anódico aplicada en la tecnología para la producción
electroquímica de ozono es un avance significativo para esta tecnología. El PbÜ2 debido a
su bajo costo, resistencia a la alta densidad de corriente, al bajo desgaste del material al
electrolizar y a la mayor eficiencia de la corriente en comparación con Pt como ánodo en
las mismas condiciones de trabajo, las investigaciones del PbÜ2 creció rápidamente y
reemplazó al Pt en las investigaciones.
El PbÜ2 presenta dos formas polimorfo, alfa y beta, las que se forman de forma natural
como scrutinyite y plattenerite respectivamente. La forma alfa presenta simetría
ortorrómbica con parámetros de red a = 0.497nm, b = 0.596nm, c = 0.544nm y Z = 4
(cuatro unidad formula por celda unitaria), mientras que la simetría de la forma beta e
tetragonal con los parámetros de red a = 0.491, c = 0.3385nm y Z - 2. La forma beta se
creen que es el más favorable para la producción de ozono. La forma beta del PbÜ2 se
prepara generalmente por el método de deposición anódica, el método consiste en aplicar
una corriente anódica a la celda de electrodeposición con una solución de Pb (II) como
electrolito.
35
Debido a estos avances en la tecnología de generación de ozono con este material hay
varios grupos de investigación que se están desarrollando condiciones experimentales
óptimas. Entre estos grupos de estudios han investigado el efecto de los dopantes como F,
Fe3+, Co2+ y N¡2+ al PbÜ2 para mejorar la eficiencia y la estabilidad en la generación de
ozono. Feng et al. Han estudiado el efecto del dopaje con Fe y han demostrado un
incremento de eficiencia de 6.1% a 14.6%. El tamaño de partícula también es importante
en la generación del ozono y se han observado que el tamaño de partícula óptima varían
entre I 5-35um, esta rango fueron estudiado por Wang y Jing. [12]
Todas las investigaciones con SnÜ2 han vuelto a tomar importancia desde el año 2004
con los trabajos de Cheng y Chan, cuando se estudio el dopaje de Sn02Con antimonio y
recubierto sobre electrodos de Ti, el nuevo material anódico mostró una eficiencia de
36
corriente superior a 15% en una solución de HCIO4 (0.1M) y a temperatura ambiente.
Posteriormente fue el grupo de Chan quienes encontraron la máxima eficiencia de
corriente (36%), para la generación de ozono en SnÜ2 dopado con Sb y agregando 0.2%
de Ni en la preparación del material anódico, llegando a sintetizar un nuevo material
llamado NATO (oxido de estañado dopado con níquel y antimonio). Este nuevo material
(NATO) es también buen material catalítico para el electro oxidación de contaminantes
orgánico.
O O
-O' Sn O- Sn -o -
O O
o Sb - O - Ni -O-
OH!. °2
O £ ■> o
37
El ánodo de NATO es un material muy promisorio para la generación de ozono con alta
eficiencia de corriente. Grupos de investigaciones están mejorando el sistema usando
PEM, flujos convectivos y modificaciones del soporte para mejorar la eficiencia del
NATO. Actualmente el problema principal del NATO es su vida útil, ya que después de
270 horas de electrólisis, la eficiencia de corriente en el NATO decae de 36% a 7%. Este
problema se puede solucionar dopando con fluoruro, alargando hasta en 6 veces la vida
útil del electrodo.
Foller y Tobías han estudiado los materiales de Pt, SnÜ2, Au, Pd y DSAs (ánodos
dimensionalmente estables) como ánodo en una solución de H2SO4 5M. En donde se
observa una eficiencia de corriente inferior a 0.1% en el DSAs, Pd, Au y Pt. Quienes
fueron comparados con la eficiencia de corriente del SnÜ2 que fue de 4%.
También se han propuesto el uso de material a base de carbón como material anódico
(carbón prensado, grafito y carbón vitreo). Estos materiales se han demostrado que son
inadecuados ya que producen muy poco ozono y aparte muestra una rápida
desintegración y se convierte en CO2. A excepción del carbón vitreo quien en una
solución de HBF4 alcanzo una eficiencia de corriente de 35% y es inerte hasta una
densidad de corriente de 0.4A/cm2. Pero estos compuestos (HBF 4 y HBF6) son altamente
tóxicos y corrosivos.
38
Figura N°9: Electrodos DSA. [14]
39
Figura N° 10: Esquema de las nuevas celdas electrolíticas para generación de ozono con
PEM. [14]
El reactor generador de ozono es el aparato más importante dentro del sistema, ya que en
ella se genera el ozono para la desinfección y descontaminación del agua. Los últimos
sistemas utilizan una membrana sólida de polímero como electrolito, en vez de utilizar un
electrolito líquido. La membrana (PEM), la cual funciona como electrolito al igual que
como separador entre el ánodo y el cátodo, y se encuentra en contacto con ambos lados
de los electrodos porosos activos. El agua que es alimenta por el lado del ánodo de la
celda es disociada en el punto de contacto entre el ánodo y la membrana, como resultado
de la corriente DC que está siendo aplicada. Para aseguramos de que se produzca tanto
ozono como sea posible, el ánodo deberá tener un potencial en exceso del que es
nece ario para la descomposición del agua y el potencial de reacción del ozono , y la capa
catalítica deberán inhibir la formación de oxígeno molecular y estimular la formación de
ozono.[13]
40
Figura N 11: Celda básica de generación electrolítica de ozono, en donde consta de
1: membrana, 2: catalizador, 3: cátodo poroso, 4: ánodo poroso [ 13]
Figura N° 12: Celda reactor (PEM) para generación electrolítica de ozono. [13]
Dónde: 1: tanque de agua del cátodo, 2: tanque de agua del ánodo, 3: parte catódica, 4:
parte anódica, 5-6: electrodos, 7: membrana.
41
Esquema del sistema y detalles del funcionamiento
Dónde: 1: módulo de electrodo PEM, 2: manguera de resina, 3: tanque de agua del cátodo,
4: tanque del agua del ánodo, 5: fuente de poder, 6: replay. [13]
42
C. Destrucción del Ozono
43
111.4. RESUMEN DE LAS TECNICAS Y ELECTRODOS ELECTROQUIMICOS
PARA GENERACION DE OZONO
jtodo de
& ¡ración de Ventajas Desventajas Aplicación
ozono
■ A lto consum o de energía
i . ■ T ecn o lo g ía m adura. - Bajo generación de 0 3
- D esinfección de aire
ore a( con aire) ■ E quipam iento sim ple ■ G eneración de N O x
l ■ E lim inación de m alos olores
■ G eneración de 0 3 gaseoso. ■ G eneración de gran cantidad
,
de 0 3
■ N o genera N O x
■ G eneración de 0 3 para
■ U tiliza luz U V ■ A lto costo energético
ot u lm lc o desinfección en clínicas y
- C ontrol de v elocidad y ■ Producción a pequeña escala
laboratorios
I cuantidad de producción
\
■ G eneración de 0 3 acuoso
■ D esinfección de agua de piscina.
i ■ G eneración de gran
li - Alto consum o de energía ■ D ecoloración de aguas
cantidad de 0 3 coloreadas.
■k,roqulm 'lco ■ T ecnología inm aduro
- E quipam iento de ■ Elim inación de com puestos
- Electrodo inestable
generación sim ple orgánicos.
■ N o genera N O x
I
44
Tabla N° 9: eficiencia y gasto de energía de los diferentes métodos de generación de
ozono
45
CAPITULO IV: APLICACIÓN DE OZONO EN
REMEDIACION AMBIENTAL
46
IV.l. APLICACIÓN DE OZONO EN DESINFECCION DE AGUA
Debido a sus poderosos efectos oxidantes y bactericidas, el ozono se utiliza para renovar
el aire de la ambientes confinada y para la esterilización y el tratamiento de las aguas. El
interés de las aplicaciones del ozono en el tratamiento del agua es debido tanto a sus
características oxidantes como energéticas, aprovechadas para degradar o eliminar ciertas
sustancias orgánicas o minerales no deseables, como a su extremado poder bactericida y
viricida.
47
pesados presentes en la disolución y eliminar compuestos orgánicos, pesticidas, y todo
tipo de olores y sabores extraños que el agua pudiera contener. Otra de las importantes
ventajas del uso del ozono frente al cloro es la rapidez con la que actúa; lo cual nos
permite realizar tratamientos muy efectivos en pocos segundos o minutos, a comparación
de un tratamiento de desinfección con cloro que es necesario un tiempo de contacto muy
superior.[15]
A cción en agua C lo ro O zo n o
Potencial de o x id a c ió n ( V ) 1.36 2 .0 7
D e s in fe c c ió n en b a cte ria y viru s M o d e ra d o e x c e le n te
A m ig a b le con el a m b ie n te No Si
R e m o c ió n de c o lo r B ueno E x c e le n te
C a n c e ríg e n o Si No
O x id a c ió n de o rg án icos M o d e ra d o E x c e le n te
M ic r o flo c u la c ió n No M o d e ra d o
E fe c to del p H V a r ia b le M ín im o
V id a m e d ia en ag u a 2 -3 horas 2 0 m in
T o x ic id a d en la operación
T o x ic id a d a la p iel A lta M o d e ra d a
48
¡nactivados por medio de exposición a concentraciones de ozono disuelto de 0.4mg/l por
un período de contacto de cuatro minutos.[l3]
D. Eliminación de turbidez
49
E. Eliminación de olores, colores y sabores
Gracias a este elevado potencial de oxidación del ozono conseguimos precipitar metales
pesados que pueden encontrarse en disolución y eliminar cloro, pesticidas, herbicidas,
fenoles, nitritos, urea, sulfuros, amoniaco, tricloretanos, cianuro, y todo tipo de olores y
sabores extraños que el agua pudiera contener.
i) Pre ozonización:
El ozono tiene un efecto letal sobre las algas, los microrganismos movibles como el
zooplancton que son inactivados y fácilmente removidos por fioculación y filtración. Su
color verdoso característico desaparece como consecuencia del tratamiento. El ozono
reacciona con micro contaminantes en el agua y éstos deben ser oxidados antes de que
comience el proceso de desinfección.
50
Las aguas generalmente son coloreadas por materia orgánica natural, tales como: ácidos
húmicos, fúlvicos y tánicos, estos compuestos son de origen vegetal y tienen una
composición similar a la de los fenoles. Son fácilmente degradables por el ozono y el
resultado final es un agua transparente y brillante. Otra gran ventaja del ozono en el
tratamiento del agua, es que el ozono no da lugar a la formación de compuestos
halogenados como los trihalometanos (THM), como los formados cuando el cloro es
adicionado a un agua que contenga materiales húmicos.
El proceso de post ozonización es necesario para la esterilización del agua, el ozono actúa
3,000 veces más rápido que el cloro porque destruye la capa protectora de los
microrganismos, en cambio que el cloro que es cancerígeno, mata por envenenamiento.
El ozono es el desinfectante más poderoso que existe y es muy eficaz para la eliminación
de microrganismos en cualquier medio: sólido, gaseoso o líquido. La gran ventaja del
ozono, a diferencia del cloro, es que no deja residuos, ya que al ser muy inestable,
rápidamente se descompone formando oxígeno.
51
• Destruye gérmenes, virus, bacterias, hongos, algas, hongos, estafilococos, colibacilos,
estreptococos, coniformes focales, amebas, protozoarios.
• Elimina cloro, fenoles, detergentes, pesticidas, herbicidas, tricloretanos.
• Neutraliza metales pesados, sulfuros, amoníaco, urea, nitritos, cianuro.
• Desodoriza el agua, eliminándole sabores y olores causados por la contaminación
• El agua mantiene intactos sus minerales, el calcio, hierro, sodio, magnesio, potasio y
zinc que necesita nuestro organismo.
• Disponemos de agua fresca, pura, esterilizada en casa diariamente.
• Ozono es el agente anti - microbiano más poderoso.
• Es 3,000 veces más rápido y poderoso que el cloro.
• Produce desinfección bacteriana e inactivación viral.
• Destruye microrganismos que son resistentes al cloro.
• El uso de ozono está aprobado por la FDA (Food and Drug Angecy ) y dirigido por
la EPA en los EE.UU.[6]
52
IV.2.1. Metodología:
A. Pretratamiento electroquímico
El equipamiento empleado es una celda con cuatro cátodos y cuatro ánodos de aluminio
conectados mediantes remaches y soporte de aluminio como se muestra en la figura N0
14, las dimensiones de ellas son de 15x10 cm. El recipiente es de plástico de un volumen
de3L.
Cátodo
53
B. Tratamiento con O3
IV.2.2. Resultados
Parámetro lu lm u lo
Color (U Pt-Co) 3 5 0 .0 0 0 - 5.700.000
Turbiedad £U FA^ ._________ 2 2 .0 0 0 -S 0 0 .0 0 0 ________
DQO(mg.-L)__ _ _________ $9.000 - 530.000_________
DBOs(ing L)__ ___________<1000___________
SST (g-L) 2 0 -5 0
_ pH______ _____________ S .5 - 9 .5 ____________ _
Coloración Aüj.cíL; ?h'. Hv'j.i A.r:\ú Aep-a.
Vade, etc
De los resultados de la tabla I2se puede observar que los parámetros iniciales son muy
elevados, presentando un índice de biodegradabilidad (relación DBO5/DQO) próximo al
valor de cero; esto indica que la muestra no presenta biodegradabilidad debiendo ser
tratada mediante técnicas electroquímicas con la finalidad de disminuir estos valores
iniciales.
54
B. Tratamiento electroquímico
P a rá m etro In terv a lo
C olor ^ f t - C o ) (% remoción) N .D .
T tu b ie& d ( U F A U ) (% remoción) N .D
D Q O ( m ^ ) (% remoción) N .D .
D B O s(m g /L ) (% remoción) N .D .
SST (% L )(% rem oción) ND
hh N .D .
N. D (No
55
D. Acoplamiento de tratamiento coagulación^lectroquímico
Una vez que adiciono el agente coagulante al agua residual, esta genero gran cantidad de
lodos, los cuales fueron filtrados y posteriormente se aplicó el tratamiento electroquímico
con electrodos de aluminio, con 33.3 A/m de densidad de corriente. Los resultados de
los parámetros fisicoquímicos se monitorearon cada 10 minutos.
E. Tratamiento con O3
La ozonización es una de las más atractivas alternativas para resolver problemas de color
en efluentes. El ozono es extremadamente oxidante y reacciona rápidamente con la
mayoría de los compuestos orgánicos (Salome y otros 2006).
Tabla N0 16: resultado del proceso de tratamiento para agua con colorante rojo
V a r ia b le A gua C ru d a P ro c e s o de
T ra ta m ie n to
PH S.3 5.6
C o lo r 5.6S5.000 142
(U ^ -C o )
T u rb ie ^ d 315 . W O 11
56
Tabla N° 17: Resultados de proceso de tratamiento para agua con colorante azul
Tabla N° 19: Valores de DBO5 e índice de DBO5/DQO para agua residual con tinta
negra
57
Como puede apreciarse en la tabla 19 el valor de la DBO5, disminuyo, así como el índice
quien aumento de 0.02 hasta 0.25, esto significa que aumenta el grado de
biodegradabilidad de la muestra tratada.
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Debido a la vida media del ozono, éste debe ser producido en el sitio, donde y cuando se
requiera. A pesar de que esto significa que debe hacerse una inversión adicional par las
infraestructura de un generador de ozono, se evita el transporte de productos químicos
potencialmente peligrosos o los altos costos de funcionamiento de una unidad de
esterilización con vapor.
^¡Crecimiento probable
Crecimiento posible
Ningún crecimiento
En este trabajo utiliza el mismo sistema del PEM para generar ozono tal como se muestra
en la figura N0 16. Este sistema electrolítico es un método diferente de disociar el agua,
ya que utiliza una membrana sólida de polímero como electrolito, en vez de utilizar un
líquido; esta característica, conjuntamente con la reacción anódica intermedia controlada
de manera adecuada produce ozono de forma muy eficiente.
59
Figura N0 16: Celda básica de generación de ozono.
Arjua ~ o -
Bomba
HZh
Ö^^sis
Tanque de Micro
Separación Filtro
Invert
-COT
-Sólidos -SDT
*StOj
•Partidlas
•8a«eria
tw-c
Filtro UV Lecho Mixto
Subrnícra -COT -COT
-SDT
-Partículas
-Si02
-Batteria
to Ozono
El^^ttltito
■O
Bomba
UV
^OT
TTTT
Puntos de Uso
KUL n TK: Ozonia Ltd., 1W3 ■Oj
Figura N0 17: Diagrama de flujo de un sistema de generación de ozono.
60
Luego el agua ozonizada es utilizada para el hacer el estudio de eliminación de mezcla de
cultivos de microbios, los valores de las pruebas se muestras en las tablas 20 y 21.
Y las respectivas curvas se muestran en la figura 18 y 19. En las pruebas se demuestra un
potente poder de eliminación no solo de baterías sino también de:
61
Figura N0 18: Reducción de microrganismo con ozono (prueba 1)
62
o ------------- -------------- ----------- ^ 1
O 20 40 60 80 100 120
FU E N TE ; b im n i PLC (M acRac. el al.. 1988) Tiem P ° (minutos)_________________________ Prueba 2
FUENTE: E ím iiis Pl.c (M acR ac, ci al.. 1988) Tiem P ° (minutos) prueba 2
En la figura N° 19, la primera prueba de eliminación se observa tal efecto, pero debido al
tiempo prolongado de eliminación se han efectuado una segunda prueba. En la figura 19
y 20 podemos observar claramente que existe una sinergia entre la concentración de
ozono y la cantidad de microrganismos presente en el agua. El punto donde se observa
este cambio es a los 60 minutos, donde según Figura 20 todo los microrganismos han sido
eliminados y la concentración de ozono residual empieza a crecer. La experiencia
demuestra el buen poder desinfectante del ozono y por ser un proceso continuo no
permite un re contaminación del sistema. [6]
63
CAPITULO V: CONCLUSIONES
64
• El ozono es un agente oxidante muy poderoso en donde se le aplica desde la
eliminación de microrganismo hasta destrucción de contaminantes orgánicos tanto
en medio gaseoso como medio acuoso.
• La tecnología del ozono es una tecnología muy amigable con el medio ambiente y
presenta varios ventajas como su producción en el mismo ambiente de trabajo y no
dejan residuos, eliminar amplio rangos de contaminantes y microrganismos.
65
VI: REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
66
[1] E. Beutelspacher S., Diseño y construcción de un generador de ozono para
purificaciones de agua, México, Tesis de Maestría, Agosto de 2005, Pag. 1-151.
67
[9] M. Katoh, Y. Nishiki, S. Nakamatsu, Polymer electrolyte-type electrochemical ozone
generator with an oxygen cathode, Japan, Journal of Applied Electrochemistry 24 (1994),
Pag. 489-494
[12] Yun Hai Wang, Qing Yun Chen, Anodic Materials for electrocatalytic ozone
generation, China, International Journal of Electrochemistry, Volume 2013, 2013, Pag.
102-109.
[14] Fumio Okada, KazunariNaya, Electrolysis for ozone water production, Review
Intech, 2012, Pag.243-271
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40143.pdf
[17] Langlais B. Ozone in water treatment application and engineering, American Water
Works Association, Lewis Publishers, Washington, DC. 1991.
68
[18] American Water Work Association. Water Treatment Plant Design.Mc Graw Hill.
Third édition. 1998. Pag. 254-270
[21] Gottchalk C, Libra J.A, Saupe A. Ozonation of Water and Waste Water. Federal
RepublicGermany. WILEY-VCH. 2002, pag 105.
[23] Barry L. Loeb, Ozone: Science and Engineering: thirty three years and growing,
OzoneV(33), UK, 2011, 329-342.
69