Empleo de minerales en la descontaminación de aguas: ilmenita como catalizador en procesos de oxidación y fotocatálisis

El grupo de ingeniería química de la Universidad Autónoma de Madrid ha desarrollado un procedimiento para el tratamiento de aguas contaminadas consistente en la oxidación de los contaminantes orgánicos combinando peróxido de hidrógeno (H2O2), luz e ilmenita (mineral de hierro y titanio).

La ilmenita, que es empleada como catalizador, es un mineral formado por la combinación de capas de óxido de titanio y de óxido de hierro (FeTiO3). El hierro y el titanio presentes en la ilmenita constituyen las fases activas utilizadas tanto en ambos procesos: oxidación húmeda con peróxido (proceso CWPO) y fotocatálisis.

Por tanto, el catalizador empleado presenta una doble acción catalítica, por un lado la descomposición del agua oxigenada conforme a un proceso CWPO o Fenton heterogéneo aprovechando el hierro contenido en su estructura y por otro la fotocatálisis que se produce tanto sobre los centros de titanio como en los de hierro.

Grupo Ingeniería Química UAM

La descontaminación efectiva de las aguas residuales industriales se ha convertido en una importante necesidad. En muchos países la legislación impone límites de vertido cada vez más restrictivos con el objetivo de proteger la salud humana y el medioambiente. Estos efluentes contienen frecuentemente contaminantes que son tóxicos y resistentes a los sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales.

En la última década una parte importante de la investigación se ha centrado en el desarrollo de los procesos de oxidación avanzada (AOPs), los cuales operan a temperaturas y presiones suaves próximas a las ambientales. Una alternativa para reducir la severidad de las condiciones de reacción de los procesos de oxidación húmeda con aire (WAO y CWAO) es el uso de peróxido de hidrógeno en lo que se ha venido a denominar Catalytic Wet Peroxide Oxidation(CWPO) que emplea este compuesto para oxidar incluso algunos de los contaminantes más resistentes.

Entre los procesos que usan peróxido de hidrógeno, el sistema Fenton constituye la solución más desarrollada. En este proceso el peróxido de hidrógeno se descompone catalíticamente en presencia de iones ferrosos 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; por otro lado, el exceso se descompone en productos inocuos para el medio como son oxígeno y agua. Asimismo, los requerimientos de equipamiento son bajos y las condiciones de reacción son suaves. Todas estas características hacen que algunos autores hayan postulado este proceso como el más económico. Sin embargo, el proceso Fenton presenta algunos inconvenientes, especialmente el relacionado con la pérdida del hierro empleado como catalizador disuelto o arrastrado por el agua  tratada, lo que, además, obliga a su separación, incorporando etapas adicionales de neutralización y sedimentación y exigiendo la correcta gestión de los lodos generados, todo ello con la consiguiente repercusión económica. Estos inconvenientes pueden evitarse mediante el empleo de un catalizador sólido (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 Fenton 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. En el caso de la utilización de hierro como fase activa, el ácido oxálico, uno de los principales productos de reacción en la oxidación de un amplio espectro de compuestos orgánicos merece una especial atención, ya que se ha demostrado que es el principal responsable de la lixiviación del hierro de los catalizadores siendo además un compuesto refractario al tratamiento a temperaturas moderadas.

Otro de los tratamientos incluido en los AOPS, que está resultando bastante útil para la eliminación de compuestos refractarios a los tratamientos convencionales de aguas residuales, es la fotocatálisis. Ésta se basa en la excitación de un semiconductor como el TiO2 cuando absorbe energía suficiente, procedente de una fuente lumínica para superar su salto de banda dando lugar a cargas capaces de generar radicales hidroxilo responsables de la degradación de la materia. Si además la fuente luminosa es el Sol, se logran reducir costes para dicho tratamiento. Otra de las ventajas de emplear luz, es que es capaz de romper los complejos que forma el ácido oxálico con el hierro y que el proceso Fenton en condiciones moderadas de utilización es incapaz de degradar. Por ello el empleo de ambos procesos combinados CWPO-fotoasistido sería una buena opción para el tratamiento de estos efluentes. En base a estos antecedentes, se ha empleado un mineral que contiene ambos óxidos, el óxido de hierro y el óxido de titanio denominado ilmenita (FeTiO3), que puede dar lugar simultáneamente a ambos procesos, obteniéndose un efecto sinérgico en el proceso de oxidación de la materia orgánica.

Para evaluar la efectividad del proceso desarrollado se utilizó fenol como contaminante modelo. El fenol y sus derivados son compuestos habitualmente utilizados en las industrias petroleoquímica, química y farmacéutica, y además, también se generan como intermediarios en la oxidación de hidrocarburos aromáticos de elevado peso molecular. Por lo tanto el fenol es utilizado ampliamente como compuesto modelo para los estudios de tratamientos de descontaminación de aguas residuales.

Los resultados obtenidos revelaron altas tasas de eliminación del contaminante así como un alto aprovechamiento del H2O2potenciado por las propiedades fotocatalíticas de la ilmenita. El mineral ilmenita presentó una elevada estabilidad, lo que permitió su uso durante 10 largos períodos de tiempo. Además, se observó una muy baja lixiviación de los metales presentes en la ilmenita. Cabe destacar que, debido a sus propiedades magnéticas se puede recuperar fácilmente, lo que facilita su utilización en procesos continuos de tratamiento.

A diferencia de otros catalizadores empleados en este proceso, éste se encuentra en la naturaleza de forma natural y no requiere método de preparación adicional a su extracción. Además, destaca su alta estabilidad en el medio y su fácil recuperación del mismo, dada sus propiedades magnéticas. Estos factores lo hacen atractivo para ser usado como catalizador en la eliminación de compuestos refractarios a los tratamientos de aguas actuales. La ilmenita es capaz de descomponer catalíticamente el peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo capaces de oxidar el fenol sin apenas lixiviar al medio el hierro presente en su estructura.

 

 

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