Tratamiento de aguas contaminadas por fenol mediante el proceso Fenton heterogéneo

La preocupación por el desarrollo para el tratamiento de aguas residuales industriales ha crecido notablemente en los últimos años. El fenol se ha constituido como el compuesto modelo para la evaluación de las propuestas de nuevos procesos de tratamiento. El proceso Fenton heterogéneo presenta las ventajas del proceso Fenton convencional u homogéneo, pero provoca una menor contaminación de los efluentes con el hierro utilizado como catalizador.

 

[Grupo de Procesos y Sistemas de Ingeniería Ambiental,
Universidad Autónoma de Madrid]

La depuración efectiva de las aguas residuales industriales se ha convertido en una preocupación creciente en las últimas décadas. La legislación de los países desarrollados, y cada vez más la de los países en vías de desarrollo, ha evolucionado para recoger esta preocupación llevando a regulaciones ambientales y estándares cada vez más restrictivos.

 

Los efluentes industriales contienen frecuentemente contaminantes tóxicos y resistentes a los tratamientos convencionales de aguas residuales, por lo que existe la necesidad de desarrollas tecnologías eficaces para la eliminación de contaminantes y el esfuerzo en investigación y desarrollo se ha redoblado. El fenol y los compuestos fenólicos constituyen materias primas o productos intermedios en numerosas industrias petroquímicas, químicas y farmacéuticas, y son así mismo productos de degradación oxidativa de hidrocarburos aromáticos de mayor peso molecular. Por este motivo el fenol es posiblemente el compuesto modelo más empleado para el desarrollo de nuevos procesos de depuración de aguas.

 

La oxidación de contaminantes en agua mediante oxidación húmeda (wet air oxidation, WAO) y mediante oxidación húmeda catalítica (catalytic wet air oxidation, CWAO) empleando aire y oxígeno puro es una de las tecnologías más estudiadas para la eliminación de fenoles. Permite eficacias de eliminación muy elevadas, aunque requiere del empleo de presiones y temperaturas altas (20–200 bar, 200–320ºC), lo que encarece el tratamiento. Una alternativa para reducir la severidad de las condiciones de reacción es la oxidación húmeda catalítica con peróxido de hidrógeno (catalytic wet peroxide oxidation, CWPO), la cual encuentra diversas variantes. De entre ellas el reactivo Fenton es una de las opciones más destacadas. En este proceso el peróxido de hidrógeno se descompone catalíticamente en presencia de ión ferroso produciendo radicales hidroxilo, los cuales tiene una gran capacidad de oxidación.

 

La aplicación del proceso Fenton al tratamiento de aguas residuales ha suscitado gran interés debido al bajo coste de las sales ferrosas, a su baja toxicidad y a que el peróxido de hidrógeno es sencillo de manejar y el exceso se descompone en productos inocuos. Asimismo, los requerimientos en equipo son bajos y las condiciones de reacción son suaves. Sin embargo, el proceso Fenton adolece de algunos inconvenientes tales como el alto consumo de peróxido de hidrógeno y la necesidad de eliminar el hierro añadido, lo que añade etapas adicionales al tratamiento e incrementa el coste.

 

Parte de los inconvenientes del proceso Fentón pueden evitarse mediante empleo de un catalizador heterogéneo (proceso Fenton heterogéneo). La fase activa está constituida por metales de transición, aunque habitualmente se trata de hierro, soportados sobre carbón activo, alúmina, sílice, tamices moleculares mesoporosos, zeolitas, arcillas pilareadas o resinas de intercambio iónico. Los mayores inconvenientes del proceso Fentón heterogéneo se derivan de la lixiviación de la fase activa cuando el pH del medio se reduce a valores en torno a 3, el cual es por cierto el valor óptimo de funcionamiento del proceso Fenton homogéneo. Los catalizadores soportados sobre carbón activo permiten llevar a cabo el tratamiento con una lixiviación limitada de la fase activa.

 

La Figura 1 muestra cómo un agua residual modelo con 100 mg/L de fenol puede ser tratada mediante un proceso Fenton heterogéneo basado en un catalizador de hierro soportado sobre carbón (Fe/AC) activa hasta la completa eliminación del contaminante de partida. A pesar de la desaparición del fenol contenido inicialmente, el agua no queda descontaminada por completo, puesto que tras el tratamiento persisten ciertos productos de degradación, fundamentalmente ácidos orgánicos cuya eliminación es compleja. La Figura 2 muestra la distribución típica de los ácidos orgánicos formados por tratamiento Fenton heterogéneo del fenol. Los productos formados en la oxidación son importantes a la hora de evaluar el proceso, ya que algunos de ellos, como son las quinonas, pueden tener mayor toxicidad incluso que el fenol de partida, aunque tal como muestra la Figura 3 los compuestos aromáticos pueden ser eliminados mediante la aplicación de un tiempo adecuado de tratamiento.

 

Figura 1. Tratamiento de un agua residual sintética con 100 mg/L de fenol mediante el empleo de agua oxigenada y un catalizador de hierro soportado sobre carbón activo.

 

Figura 2. Distribución típica de ácidos orgánicos en la oxidación de fenol mediante un proceso Fenton heterogéneo.

 

Figura 3. Distribución típica de productos aromáticos en la oxidación de fenol mediante un proceso Fenton heterogéneo

 

Referencias:

 

J.A. Zazo, J.A. Casas, A.F. Mohedano, J.J. Rodríguez. Applied Catalysis B: Environmental 65 (2006) 261.

J.A. Zazo, J.A. Casas, A.F. Mohedano, M.A. Gilarranz and J.J. Rodríguez. Environmental Science & Tecnology.  39 (2005), 9295.

A. Santos, P. Yustos, A. Quintanilla, S. Rodríguez, F. García-Ochoa, Appl. Catal. B Environ. 39 (2002) 97.

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