Purificación de agua por medio de descargas eléctricas

El ININ hoy
Purificación de agua por medio
de descargas eléctricas
Por investigadores del Laboratorio de Física
de Plasmas* (rlc@nuclear.inin.mx)
Mucho se ha hecho para encontrar un método efectivo de control y remoción de contaminantes en el medio ambiente. Esto incluye la
degradación de gases ácidos (SOx, NOx), gases efecto invernadero (CH4, CO2, etc.), compuestos orgánicos volátiles (VOC’s, por sus siglas en inglés), partículas peligrosas, así como
también el desarrollo de procesos para la desinfección y degradación de contaminantes orgánicos y de microorganismos que perjudican la calidad del agua.
Las tecnologías disponibles para purificación
a través de la degradación de contaminantes
del agua son costosas y pueden generar contaminantes secundarios (clorofluorocarburos,
compuestos perfluoridos, etc.). Los plasmas fríos
ofrecen una promesa real a la degradación
de contaminantes en aire y agua. En experimentos de laboratorio las descargas de corona pulsadas (DCP) son capaces de crear electrones muy energéticos en grandes cantidades, habiéndose demostrado su efectividad al
degradar una amplia variedad de contaminantes. El uso de dichas descargas en líquidos ha recibido atención sólo recientemente.
La razón de su relativo abandono se debe
principalmente a la necesidad de usar pulsos
de alto voltaje requeridos en los electrodos de
los sistemas de DCP. Además la duración de
éstos debe ser suficientemente corta para evitar la transición de corona a arco y debe estar,
por lo tanto, limitada a una duración de
microsegundos o menos.
En el caso de la purificación de agua, la síntesis de ozono es una aplicación industrial de
las descargas eléctricas. Este proceso para el
tratamiento de agua potable requiere ozono
en grandes cantidades. Las principales ventajas del proceso de ozonización en comparación con los procesos convencionales de
clorinación para el tratamiento de agua son:
No es necesario almacenar y manejar
sustancias químicas tóxicas.
No se conocen efectos adversos en la
salud y en el ambiente.
El ozono es un oxidante muy rápido y
potente.
El ozono puede degradar de forma segura una gran variedad de contaminantes orgánicos.
El ozono ayuda a eliminar el color, el
olor y a degradar materiales suspendidos en el agua.
El ozono es muy eficiente para matar
bacterias, virus y hongos.
Las descargas eléctricas que tienen lugar en
una atmósfera de aire convierten oxígeno en
ozono. Además, las descargas eléctricas en aire
producen gran variedad de partículas
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subatómicas y especies químicas como son:
electrones, iones positivos y negativos (O-, N+,
N2+, O+, O2+, NO+), átomos (O, N), moléculas
(O 3 ) y átomos y moléculas excitados
electrónicamente (O(1D), O(1S), O(3P), N(2D),
N(2P), O2(a), N2(A), N2(a)) entre otras. En presencia de humedad se generan también OH·,
H·, OH-, H-, H+, H2O entre otros. De la misma
manera, las descargas eléctricas en agua producen también la gran mayoría de las especies ya citadas, muchas de las cuales son
agentes oxidantes muy fuertes. Aunque las
descargas eléctricas para la producción de
ozono se llevan a cabo casi siempre fuera del
agua, las descargas dentro de ésta pueden
proveer una cantidad significativa de esas
partículas subatómicas y especies químicas útiles para la purificación. Además, los intensos
campos eléctricos necesarios para realizar las
descargas son también letales para varios tipos de microorganismos que se encuentran
en el agua, y una combinación de estos campos con oxidantes como O3, H2O2 muestra una
efectividad considerable.
El proceso de descargas eléctricas en el agua
depende de la composición química y las propiedades físicas del líquido, la presión y temperatura, la geometría del electrodo, la magnitud del voltaje, su polaridad y forma, la contaminación del medio, humedad, partículas y
otras impurezas. Las descargas de coronas
pulsadas (DCP) se basan en la creación de
campos eléctricos no homogéneos suficientemente grandes para efectuar las descargas en
el líquido. Aunque los mecanismos de estas
descargas no han sido aún bien determinados, existen dos teorías propuestas para explicar la iniciación del rompimiento de ésta:
a) Electrónica: los electrones son acelerados bajo la influencia del campo eléctrico aplicado y chocan con las moléculas generando ionización y excita-
ción, lo cual produce más electrones
libres (avalancha de electrones) los
cuales originan el rompimiento de las
moléculas del agua. Los electrones pierden parte de su energía pero que el
campo eléctrico presente se las restituye. Las moléculas excitadas pueden
ahora, debido a su alta energía interna, disociarse e iniciar otras reacciones químicas.
b) Térmica: se forman burbujas por la
vaporización del líquido debido a un
calentamiento local en la región del
alto campo de los electrodos. La burbuja puede crecer y entonces tiene lugar un rompimiento en el vapor contenido en la burbuja. El rompimiento produce filamentos de plasma que tienen
una fracción de milímetro de diámetro
y que se propagan a una distancia de
más de un centímetro dentro del agua.
Si la duración de los pulsos de alto voltaje es
lo suficientemente larga para permitir que un
filamento de plasma atraviese los electrodos,
en este caso una corriente de alta intensidad
fluye a través del canal de plasma y entonces
el filamento de plasma cambia a una descarga de arco o chispa. La uniformidad del filamento de plasma mejora con un decremento
en el voltaje aplicado y con un incremento en
la separación de los electrodos y en la
conductividad del agua. Las descargas aparecen como canales luminosos de forma irregular y el tamaño de las burbujas de vapores
de unos cuantos milímetros.
Las DCP pueden tener lugar en el agua y producir especies químicas activas así como radicales libres y, si se suministra aire u oxígeno,
se producen principalmente H2O2 y O3. Estos
reactantes eliminan compuestos orgánicos por
medio de oxidación. Más aún, se sabe que
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H2O, OH, O, O2 y O3 también participan en
procesos de degradación de compuestos orgánicos y, recientemente, en la purificación del
agua. La relación de esas especies en las descargas se describe a continuación:
Las especies OH*, H* y H2O2, se producen sin suministro de gas. El pH
de la solución se incrementa ligeramente debido a la acumulación de
H2O2. La intensidad luminosa se intensifica cuando se incrementa el régimen de gas.
La densidad relativa de OH*, H* y O*
es diferente en el caso de que se suministre argón u oxígeno. La intensidad de H* es mayor cuando se suministra argón y menor cuando se suministra oxígeno. Durante el suministro de oxígeno la intensidad de O* es
mayor.
La máxima intensidad en la emisión
de OH* y O* y la máxima concentración de H2O2 se obtienen cuando la
conductividad del agua está entre 1080 ìS·cm-1.
En general, la densidad de las
especies químicas activas aumenta
con el voltaje aplicado.
Electrones, moléculas excitadas, radicales
libres, ozono, radiación UV y ondas de choque
se producen directamente en el líquido para
inactivar (matar) microorganismos y
descomponer moléculas y materiales.
Dentro de los agentes causantes de la
inactivación se tienen los siguientes: a) efecto
del campo eléctrico, b) efecto de las partículas
cargadas, c) efecto de las especies reactivas y
d) efecto de la radiación UV. Con respecto al
primero, se han propuesto dos mecanismos
de inactivación de los microorganismos:
Figura 1. Ilustración del proceso de
electroporación en una célula
a) Rompimiento eléctrico. Se considera a
la membrana celular como un
capacitor lleno con un dieléctrico. La
diferencia de potencial existente en la
membrana es de unos 10 mV, que puede
incrementar a una diferencia de
potencial V debido a la separación de
cargas en la membrana. V es
proporcional al campo eléctrico
aplicado y al radio de la célula. El
incremento en el potencial de la
membrana permite una reducción en
el espesor de ésta. El rompimiento de la
membrana ocurre si se alcanza un
voltaje crítico de rompimiento (del orden
de 1 V) debido a un incremento en el
campo eléctrico externo. Se cree que el
rompimiento causa la formación de
poros transmembránicos que conducen
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a la descomposición de la membrana.
Se dice que existe un rompimiento
reversible si los poros son pequeños
en relación a la superficie de la
membrana. Bajo condiciones críticas
de campo eléctrico y de tiempo de
exposición, grandes áreas de la
membrana son sometidas a
rompimiento. En este caso, el número y
tamaño de los poros tiende a ser mayor
y el rompimiento reversible cambia a
un rompimiento irreversible que está
asociado con la destrucción mecánica
de la membrana celular.
b) Electroporación. Fenómeno en el que
la célula es expuesta a campos
eléctricos pulsados de alto voltaje, los
que desestabilizan temporalmente la
bicapa de lípidos y proteínas de la
membrana. La membrana de las
células tiende a ser permeable a
moléculas pequeñas después de ser
expuesta a un campo eléctrico. La
permeabilización causa entonces una
protuberancia y una eventual ruptura
de la membrana celular. El principal
efecto que tiene el campo eléctrico
sobre los microorganismos es que
incrementa la permeabilidad de la
membrana, permitiendo el contacto del
medio con el contenido celular. Esto
finalmente lleva a los microorganismos
a la muerte (figura 1). Œ
Figura 2. Esquema de un reactor de descargas de
configuración coaxial
* Los integrantes del equipo de trabajo del Laboratorio de Física de Plasmas, son: Régulo López Callejas,
Raúl Valencia Alvarado, Samuel R. Barocio, Antonio Mercado Cabrera, Rosendo Peña Eguiluz, Óscar
Godoy Cabrera, Arturo Muñoz Castro, Esteban Chávez, Eliseo León del Villar y los técnicos Ma. Teresa
Torres Martínez e Isaías Contreras Villa. En colaboración con el Instituto Tecnológico de Toluca: Anibal de
la Piedad Beneitez, Benjamín Gonzalo Rodríguez Méndez y Rosa Elena Ortega Aguilar, hemos iniciado
las actividades en esta línea de investigación, aportando un desarrollo tecnológico de innovación.
Actualmente se está instrumentando el proceso de descargas para la purificación de agua, para lo cual
se está considerando trabajar con un reactor de descargas en configuración cilíndrica y alambre
concéntrico (figura 2). Este reactor fue desarrollado en colaboración con el Ing. Eleuterio Flores Jiménez
de Talleres Generales. Dicha geometría es capaz de exponer grandes cantidades de agua presentando
una mayor homogeneidad y distribución en las descargas. Los avances de este proyecto son tales que
sólo se está en espera de la construcción de la fuente de alto voltaje para iniciar la fase experimental.
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