La generación de ozono por el método de descargas eléctricas es la forma más eficiente de crear este gas altamente oxidante. En este capítulo se presentan los
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| La generación de ozono por el método de descargas eléctricas es la forma más eficiente de crear este gas altamente oxidante. En este capítulo se presentan los principales temas concernientes al diseño de una celda generadora de gas ozono que opera bajo el principio de las descargas eléctricas. Generación de ozono El ozono se forma cuando se aplica la energía suficiente a la molécula de oxígeno para disociarla y formar radicales libres de oxígeno; de esta forma se cumple la condición para formar una reacción entre una molécula y un átomo de oxígeno y obtener la molécula de ozono. En la siguiente figura se muestra el proceso de formación de la molécula de ozono.  Figura Formación de la molécula de ozono La formación del ozono se describe como una reacción endotérmica, la cual se expresa como: 3O2 ↔ 2O3 (ΔHº a 1 atm, + 284.5 kJ) Las formas o métodos más utilizados para generar ozono son: descargas eléctricas, radiación ultravioleta y electrólisis. De estos tres métodos el más destacado, por el desempeño de su eficacia e implementación, es el método de la descarga corona. En la siguiente sección se describe su principio de funcionamiento y sus principales características. Generación de ozono por descargas eléctricas Para formar la molécula de ozono se requiere de una celda, como se muestra en la figura, formada por dos electrodos separados por una distancia, del orden de los milímetros; a este espacio se le conoce como espacio de descarga.  Figura Celda generadora de ozono por descargas eléctricas Sobre uno de los electrodos se coloca un material dieléctrico, y en el espacio de descarga se inyecta un flujo de aire o de oxígeno de alta pureza, el cual provee oxígeno para la formación del ozono. Para el funcionamiento de la celda, se conecta a los electrodos una señal eléctrica alterna, la cual permite la creación de un campo eléctrico intenso. Este campo eléctrico se encarga de acelerar los electrones que se encuentran en el espacio de descarga, de tal forma, que en la trayectoria del recorrido de estos electrones, colisionan con las moléculas de oxígeno y logran la disociación de sus átomos. El siguiente paso para la formación de la molécula de ozono es la reacción entre uno de estos átomos y una molécula de oxígeno. La construcción de la celda generadora de ozono da lugar a la formación de dos capacitancias conectadas en serie, una de ellas es Cd, ésta se forma por el material dieléctrico que se encuentra adherido sobre uno de los electrodos de la celda, y la otra capacitancia Ca, se forma por la presencia del gas de alimentación que circula a través del espacio de descarga.  Figura Circuito eléctrico equivalente de una celda generadora de ozono En la generación de ozono sólo de un 4% a un 12% de la energía es aprovechada para la formación de ozono, el resto es transformado en calor y luz. Este tipo de descarga eléctrica, que se realiza a través de un material aislante, da origen a la formación de delgados filamentos, que en su conjunto se denominan microdescargas. A este tipo de descarga eléctrica, se le conoce como descarga en barrera dieléctrica (DBD). La generación de ozono por descarga en barrera dieléctrica es el método más eficaz y el más utilizado en aplicaciones de desinfección de agua. Es posible alcanzar producciones del orden de 100 kg O3/h, lo cual, resulta complejo alcanzar con los métodos mencionados anteriormente. Elementos que forman parte de un equipo generador de ozono Un equipo generador de ozono para aplicaciones de desinfección de agua está constituido por los elementos que se muestran en la siguiente figura.  Figura Partes que forman un equipo generador de ozono Como se observa en esta figura, para desarrollar un equipo generador de ozono se requiere del estudio de varias áreas de la física y química. Cada una de las partes que componen el equipo generador de ozono desempeña un papel de importancia para lograr la producción de ozono requerida y también su correcta operación. Preparación del gas de alimentación Para la generación del ozono se requiere suministrar oxígeno a la celda. Este gas puede ser oxígeno de alta pureza, o bien aire, cuya concentración de oxígeno en volumen es del 21 %. El aire es una mezcla de varios gases, además del oxígeno se encuentra el nitrógeno en un 78% y en menor porcentaje aparecen el argón y el anhídrido carbónico. Otro elemento presente en el aire, y al cual se debe prestar especial atención en la generación de gas ozono, es el vapor de agua o el grado de humedad presente en el aire. La humedad contenida en el aire puede reaccionar con los óxidos de nitrógeno que se forman en el espacio de descarga de la celda y formar a su vez ácido nítrico, este compuesto químico causa daños en los electrodos de la celda. Por esta razón se debe controlar el grado de humedad presente en el aire, lo cual se consigue con secadores, tales como la sílica gel. El contenido de humedad del aire se expresa en una temperatura de punto de rocío, que se define como la temperatura en la cual el vapor de agua contenida en el aire se condensa. La temperatura de punto de rocío que utilizan los equipos industriales de ozono está en el rango de -60 y -80ºC. Otro aspecto importante en la preparación del gas de alimentación es la instalación de filtros que impidan el paso de partículas de polvo al interior de la celda. Cuando el gas de alimentación es oxígeno de alta pureza se evita el problema de la humedad y dada la mayor presencia de oxígeno, en comparación con el aire, se pueden obtener concentraciones de ozono de dos hasta cuatro veces mayores. La elección de utilizar aire u oxígeno de alta pureza depende de las exigencias de la aplicación. La mayoría de los generadores de ozono utilizan aire como gas de alimentación. Sin embargo, aunque en menor cantidad, se tienen generadores de ozono para aplicaciones de desinfección de agua a gran escala, en los cuales se justifica la inversión de equipo y costo de operación para trabajar con oxígeno de alta pureza. Celda generadora de ozono La celda generadora de ozono, figura 2.2, es aquella donde se lleva a cabo la formación del gas ozono por medio del fenómeno de descarga en barrera dieléctrica. Las celdas generadoras de ozono se fabrican en dos formas geométricas: celdas de placas paralelas y cilíndricas. Los materiales que se utilizan en la construcción de una celda se eligen de tal forma que soporten la acción oxidante del ozono. Para el caso de los electrodos los materiales utilizados son el acero inoxidable, tungsteno y el titanio. Para el material dieléctrico se utiliza el vidrio, alúmina y mica, entre otros. En lo que respecta a los accesorios y mangueras utilizadas en conexiones de la celda se puede utilizar el teflón, el cual posee excelentes propiedades de resistencia a los efectos oxidantes del gas ozono. Fuente de alimentación La fuente de alimentación se encarga de proporcionar una señal alterna cuyas características eléctricas (voltaje y frecuencia), permitan generar el fenómeno de las microdescargas en el interior de la celda. Los equipos generadores de ozono pueden clasificarse de acuerdo a la frecuencia de operación de la fuente: generadores de baja frecuencia (50 a 60 Hz), mediana frecuencia (60 a 1000 Hz), y en alta frecuencia (más de 1000 Hz). Sistema de enfriamiento La molécula de ozono se desintegra y se recombina para formar oxígeno molecular si la temperatura en que se encuentra supera los 50ºC. Debido a este comportamiento inestable de la molécula de ozono, es importante mantener una adecuada temperatura de operación en la celda. Para ello, se construyen sistemas de enfriamiento, que se encargan de disipar el calor que se acumula en la celda debido al efecto de las microdescargas. Para la disipación del calor de la celda se implementan intercambiadores de calor que pueden operar a base de agua o de aire. El intercambiador de calor que trabaja con agua, por lo general, se utiliza para aplicaciones industriales de gran escala. Inyección de ozono al agua Para lograr la desinfección del agua se requiere de una técnica adecuada de contacto del ozono con el agua. Existen varias formas de aplicar el ozono en el agua, de las cuales, destacan la difusión por burbujeo y la inyección por tubo Vénturi. Difusión por burbujeo Este dispositivo tiene en su superficie orificios del orden de las micras, por los cuales se libera el ozono en forma de finas burbujas que entran en contacto con el agua. La técnica de difusión de ozono por burbujeo es fácil de implementar, no tiene partes móviles, requiere bajo mantenimiento y tiene mucha aceptación. Inyector Vénturi Consiste de una sección de tubería, por la cual circula el agua que se desea ozonificar; en esta sección de tubería se tiene una reducción de su diámetro, de tal forma, que se logra una caída de presión en este punto, lo que se aprovecha para instalar la entrada del gas ozono. La caída de presión en el tubo Vénturi origina una fuerza de succión del gas ozono, de esta forma se logra el contacto y la mezcla del ozono con el agua. Destrucción de ozono El ozono es el oxidante más poderoso que existe después del flúor. Respirar concentraciones de ozono mayores a 0.1 ppmv puede causar la irritación de las vías respiratorias y de los ojos. Aproximadamente, de un 10 a un 20% del ozono que se aplica al agua se desprende en forma de gas y se mezcla con el aire. Para evitar contaminar el medio ambiente con este gas, se utilizan destructores que se encargan de desintegrar la molécula de ozono, y en una reacción química posterior, se obtiene el oxígeno que se encuentra en estado natural en la atmósfera, oxígeno molecular. Existen varios métodos para destruir el ozono, de los cuales, destacan el térmico y el catalítico. Térmico Consiste en calentar el ozono a temperaturas en el rango de 300 a 350ºC, por un período inferior a los cinco segundos. El inconveniente de este método, es la cantidad de energía que se requiere para alcanzar la temperatura deseada para la destrucción del ozono. Catalítico Un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción química sin sufrir ella misma un cambio permanente en el proceso. La catalización del gas ozono se realiza cuando este gas pasa por una superficie que contiene un agente catalizador, como el óxido de manganeso u óxido de fierro. La reacción catalítica se lleva a cabo aproximadamente en un minuto. Los catalizadores son los métodos más usados para la destrucción del gas ozono. También se implementan técnicas de destrucción de ozono combinando el método térmico y el catalítico. Variables que afectan la producción de ozono La generación de ozono es afectada por diversas variables que intervienen en la formación de esta molécula. A continuación se describe la forma en que estas variables impactan en la formación de la molécula de ozono. Frecuencia de la señal de alimentación A mayor frecuencia se obtiene una mayor disociación de las moléculas de oxígeno que están presentes en el espacio de descarga de la celda. Lo anterior se debe a un mayor número de periodos de microdescargas por unidad de tiempo, lo cual favorece el incremento de la formación de moléculas de ozono. Voltaje de alimentación El incremento de la magnitud del voltaje de alimentación, permite obtener una mayor concentración de ozono. Este comportamiento, se debe a que se logra una mayor intensidad del campo eléctrico entre los electrodos de la celda, que a su vez proporciona un mayor estado de ionización del gas de alimentación y mayor número de reacciones químicas para la formación de las moléculas de ozono. Humedad El grado de humedad, que se mide como punto de rocío, presente en el gas de alimentación afecta de manera importante la concentración de ozono. El vapor de agua contenido en el gas de alimentación causa la formación de compuestos químicos, tales como los óxidos de nitrógeno y ácido nítrico, que limitan la generación del ozono. Temperatura La molécula de ozono es muy inestable y a temperaturas mayores a 50ºC, se degrada la producción de ozono. Para un funcionamiento eficiente de la celda debe mantenerse su máxima temperatura alrededor de los 33ºC. Gas de alimentación La formación de la molécula de ozono se realiza a partir del oxígeno. Existen dos opciones para suministrar oxígeno a la celda: por medio del aire y oxígeno de alta pureza. La concentración del oxígeno presente en el aire es del 21% en volumen, mientras que en oxígeno de alta pureza se tiene una concentración cercana al 100%. De acuerdo con esta información, se tiene un notable incremento en la generación de ozono, de dos a cuatro veces más, cuando se trabaja con oxígeno de alta pureza. La elección del tipo de gas depende de las exigencias de la aplicación. Presión del gas de alimentación La concentración de ozono es inversamente proporcional a la presión del gas de alimentación. Al aumentar la presión del gas que se inyecta a la celda, sus moléculas se compactan cada vez más, lo cual limita la aceleración de los electrones que participan en la disociación de las moléculas de oxígeno. Lo anterior produce una débil ionización del gas de alimentación y como consecuencia una reducción en la concentración de ozono. Flujo del gas de alimentación Un incremento en el flujo del gas de alimentación se traduce en un incremento en la velocidad de sus moléculas que atraviesan el espacio de descarga, lo cual, reduce la oportunidad de que estas moléculas sean ionizadas. Lo anterior ocasiona una menor ionización de este gas y también menor formación de moléculas de ozono. El ozono es una alternativa de desinfección muy atractiva por varias razones: es un germicida fuerte contra bacterias, virus y protozoos y simultáneamente oxida materia orgánica influyendo en el mejoramiento de la calidad del agua residual. El ozono se emplea con resultados muy satisfactorios, como complemento de tratamientos secundarios, y además como tratamiento terciario, lográndose calidades que pueden hacer posible incluso el reuso de las aguas residuales tratadas. La etapa de desinfección del oxigeno requiere seguridad en la ejecución. El trabajo presenta la evaluación de la ozonización de un efluente secundario, proveniente de una planta de tratamiento de una institución hospitalaria y de investigación, en la cual se emplea la cloración en la etapa de desinfección. El riesgo a una potencial contaminación biológica, que el cloro no pueda resolver es posible. La eficiencia del proceso de desinfección con ozono depende en gran medida del diseño del reactor por lo que es necesario tener en cuenta la hidrodinámica, las condiciones de operación y los parámetros de calidad del efluente secundario.1, 10 Los objetivos del trabajo se corresponden con la determinación de parámetros de diseño del reactor tales como el valor de la demanda inicial y la constante cinética de consumo de ozono, así como la evaluación de la desinfección con ozono de un efluente secundario, para determinar las condiciones de operación más adecuadas, que pueden garantizar una desinfección segura y disminuir el impacto ambiental. Además se evaluó el efecto de la ozonización en los parámetros de calidad del efluente: demanda química de oxígeno, el valor de la absorbancia a 254 nm, conductividad, pH, demanda biológica de oxígeno y sólidos totales en suspensión. La reacción se llevó a cabo en un reactor de 600 mL, provisto de un difusor de vidrio poroso, de entrada y salida de gas y una toma muestra. La mezcla oxígeno-ozono se obtuvo a partir de un equipo modelo AQOZO. La operación se realizó en continuo y a contracorriente en la mayoría de los experimentos. La concentración de ozono en el gas fue determinada a 256 nm y el valor de la absorbancia a 254 nm (UV254 ) en un espectrofotómetro. La concentración de ozono disuelto fue determinada por el método del índigo. La demanda química de oxígeno (DQO) se determinó por el método de dicromato de potasio. Las muestras del agua residual fueron obtenidas antes de la etapa de cloración. El tratamiento previo tiene las siguientes etapas: estación de bombeo, tanque Inhoff, filtración biológica, sedimentador secundario, laguna de oxidación, finalmente la desinfección se realiza por cloración (cloro libre residual mayor de 3 mg/L) y se vierte a un cuerpo receptor de agua. Se trabajó a dosis aplicadas de ozono de 7, 14, 21 mg/L, a un flujo de gas de 10 L/h y a un flujo de líquido de 7.2 L/h, que se corresponde con un tiempo de residencia hidráulico (τ) de 5 minutos. La EPA (Environmental Protection Agency, USA) plantea, aunque no está establecido, que una dosis aplicada de ozono entre 4 y 10 mg/L, junto con una concentración de ozono residual de 0.2 a 1 mg/L es suficiente para garantizar una desinfección completa. Criterios más estrictos indican que dosis de 10 a 20 mg/L pueden ser necesarias. Para evaluar el efecto de la ozonización en la desinfección de este efluente se determinaron antes y después de la ozonización, las concentraciones de coliformes totales y fecales por el método del número más probable y los microorganismos mesófilos aerobios por el método normalizado de filtración. Por otra parte, se inoculó el efluente con Pseudomonas aeruginosa para simular una potencial contaminación de alto riesgo biológico y se le aplicó ozono. Balance de Materia Respecto al Ozono Ozono transferido del gas = ozono disuelto + ozono consumido Qg (CO3ge-CO3gs) = QLCO3L + (QLDI + kCO3LQL) (1) CO3L = DOT / (1+kτ) - DI / (1+kτ) (2) donde: Qg: Flujo de gas (L/h) QL: Flujo de líquido (L/h) CO3L: Concentración de ozono en el líquido (mg/L) DI: Demanda inicial de ozono (mg/L) DOT: Dosis de ozono transferida k: Constante cinética de consumo de ozono (min –1) τ : Tiempo de residencia hidráulico (min). Se determina a partir de la relación entre el volumen de líquido dentro del reactor y el flujo de líquido. Aspectos a Considerar en el Diseño del Reactor Los resultados obtenidos son útiles para proponer las principales características del reactor y condiciones de operación para introducir la ozonización en la planta de tratamiento. Aunque la estrategia deberá ser ajustada durante la puesta en marcha. El caudal máximo del efluente secundario a tratar es de 90 m3/h. Para el diseño del reactor se tienen en cuenta la demanda inicial de ozono de 1,6 mg/L y la constante de consumo de ozono de 0,192 min -1. El tanque donde actualmente se realiza la cloración puede ser usado como reactor de ozonización con un mínimo de modificaciones. Esto reduce el costo de inversión. Se propone un reactor compuesto por tres cámaras y separadas por dobles tabiques interiores. Esta configuración disminuye el efecto de corto circuito, lo cual ha sido demostrado por numerosos estudios. El contacto entre ambas fases se realiza a contracorriente para garantizar una mayor eficiencia de contacto. La primera cámara de contacto garantiza una dosis de ozono transferida, la cual debe satisfacer la demanda inicial de ozono que presenta el efluente. En la segunda cámara se efectúa el proceso de desinfección; donde una concentración de de ozono disuelta de 1 mg/L durante 5 minutos debe ser mantenida. En cada cámara una determinada cantidad de ozono es inyectada (para una proporción de cantidad de ozono de 75:25). Se emplean difusores porosos para dispersar el ozono en el efluente. La relación Qg/QL está comprendida en el intervalo recomendado de 0,02 a 0,5 19 y se asume una eficiencia de contacto de un 80 %. En la tercera cámara no se inyecta ozono. Esto permite incrementar el tiempo de contacto y disminuir la concentración de ozono disuelta a la salida del reactor. Como es conocido el efluente no debe tener ozono residual antes de su descarga al cuerpo receptor. Además la concentración residual de ozono dificulta mantener una adecuada concentración de cloro disuelta, si es necesaria para evitar una contaminación en la red. Teniendo en cuenta determinadas consideraciones se emplean las siguientes expresiones: Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 36, No. Especial, 2005 TO1 = (CO3L1 (1 + kτ 1)) + ID (3) TO 2 = (CO3L2 (1 + kτ 2)) - CO3L1 (4) C O3L3 = CO3L2 e - kτ 3 (5) |
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