Profesores: Dres. Marta I. Litter, Gustavo Curutchet, Roberto Candal.

Objetivos: exponer los fundamentos y condiciones de aplicación de Tecnologías No Convencionales de tratamiento, incluyéndose en algunos casos, la escala de uso, los rendimientos y los costos relativos.

Duración: 80 horas (cinco horas semanales), distribuidas en 42 horas para el dictado de teoría y el resto para consultas y seminarios obligatorios.

Fecha de inicio: 18 de agosto

Destinatarios: Alumnos del Doctorado en Ciencia y Tecnología, Mención Química, graduados de carreras afines

Consultas: Dra. Marta Litter - litter@cnea.gov.ar / 6772 7016

Interesados que no sean alumnos de la UNSAM: consultar aranceles
Para la aprobación del curso, los participantes deberán rendir un examen final.

Fundamentos

Existe una creciente demanda de la sociedad, materializada en los últimos años en regulaciones de organismos gubernamentales, para la descontaminación de aguas, suelos y aire contaminados naturalmente o por la actividad antropogénica. La conciencia sobre el efecto de contaminantes sobre la salud y los riesgos ecológicos asociados ha contribuido en la última década al desarrollo de tecnologías ambientales con el fin de cumplir dichos requerimientos.

Si bien existen métodos bien comprendidos, establecidos y comercializados, que denominaremos “convencionales”, algunos contaminantes son resistentes a muchos de estos tratamientos o se degradan parcialmente produciendo compuestos más tóxicos que los iniciales. En los últimos tiempos, han aparecido otras tecnologías innovadoras, estudiadas desde el punto de vista de la investigación básica y aplicada, que en la actualidad se están comenzando a implementar en forma de novedosos procesos tecnológicos para la descontaminación o purificación de aguas y aire. En algunos casos, los nuevos métodos han sido ya comercializados. Estas tecnologías no suelen mencionarse en los cursos comunes de tratamiento de aguas, especialmente en nuestro país y, por lo tanto, resulta interesante el dictado de un curso tendiente a su difusión y comprensión. Entre ellos se cuentan las Tecnologías Avanzadas de Oxidación, el Hierro Cerovalente y los Tratamientos Biológicos Innovadores.

Las comúnmente denominadas Tecnologías de Avanzadas de Oxidación o Procesos Avanzados de Oxidación (TAOs, PAOs) constituyen un grupo de procesos para el tratamiento de efluentes ambientales que involucran la generación y uso de especies transitorias poderosas, principalmente el radical hidroxilo (HO•). Este radical puede ser generado por medios fotoquímicos (incluida la luz solar) o no fotoquímicos y posee una alta efectividad para la oxidación de contaminantes ambientales. Los procesos pueden también transformar otros contaminantes tóxicos como los iones metálicos y pueden aplicarse a la recuperación de metales nobles. La mayoría de las TAOs se aplican a la remediación y destoxificación de aguas especiales, generalmente en pequeña escala, tanto solas como combinadas entre ellas o con métodos convencionales. Permiten incluso la desinfección por destrucción de bacterias y virus. Una de ellas, la fotocatálisis heterogénea, se aplica muy exitosamente al tratamiento de contaminantes en fase gaseosa (ambientes exteriores o interiores).

El hierro cerovalente es una tecnología incipiente muy promisoria, que usa materiales de hierro muy económicos y que permite la reducción de especies químicas, siendo muy apto para el tratamiento de compuestos orgánicos halogenados e iones metálicos susceptibles de ser reducidos a su estado elemental. Incluso suelen construirse barreras reactivas para el tratamiento de volúmenes de agua considerables. Algunos elementos como el arsénico, que no se reducen, pueden tratarse muy eficientemente por esta tecnología.

Los métodos biológicos de tratamiento de efluentes son ya tradicionales: lodos activos, lechos percoladores, contactadores biológicos rotatorios, y otros, son utilizados en una amplia variedad de efluentes e industrias. Sin embargo, existe una gran cantidad de compuestos xenobióticos presentes en los efluentes (detergentes, agentes antimicrobianos, compuestos halogenados, etc.) que no pueden ser degradados con tecnologías convencionales.

Para esta clase de compuestos, se están desarrollando diferentes tipos de reactores, que trabajan fundamentalmente con células inmovilizadas de manera de utilizar el potencial de degradación de consorcios diversos. Tecnologías basadas en la biosorción y degradación en fase sólida también están teniendo un importante papel en el tratamiento no convencional de efluentes.

En este curso se exponen los fundamentos y condiciones de aplicación de Tecnologías No Convencionales de tratamiento, incluyéndose en algunos casos, la escala de uso, los rendimientos y los costos relativos.

• El agua como sustancia natural y única y como recurso. Ocurrencia. Origen. Ciclo del agua. Tipos de agua. Aguas “naturales” y “artificiales”. Clasificación. Fuentes. Ocurrencia y clasificación según el origen. Ciclo hidrogeoquímico. Composición y características de las aguas naturales. Agua de mar. Agua de lluvia. Aguas superficiales. Aguas subterráneas. Caracterización del agua. Propiedades fisicoquímicas.
• Contaminación hídrica antropogénica. Naturaleza y tipos de contaminantes hídricos. Fuentes de contaminación.
• Contaminación inorgánica. Eutrofización. Acidez, alcalinidad y salinidad. Metales pesados. Compuestos arsenicales. Otros contaminantes inorgánicos. Organometálicos. Contaminación radiactiva.
• Contaminación orgánica. Jabones y detergentes. Biocidas y derivados. Compuestos orgánicos biorrefractarios. Hidrocarburos. Hidrocarburos policíclicos clorados. PCBs.  Dioxinas. Fenoles.
• Contaminación biológica. Tipos de microorganismos (breve mención). Bacterias. Hongos. Protozoos. Algas. Procesos bioquímicos acuáticos. Transformaciones microbianas.
• Tipos de aguas “no naturales”: industriales, de riego, municipales, domiciliarias, red de alcantarillado. Estándares de calidad de agua. Ejemplos específicos de contaminación doméstica e industrial. Efluentes industriales: industrias química, textil, alimenticia, papel, petróleo y metalurgia entre otros.
•  El agua potable como Derecho Humano.

• Distintos tipos de tratamiento. Criterios. Tratamientos primarios, secundarios, terciarios y avanzados. Métodos físicos. Métodos químicos. Aireación. Microfiltración. Ionización. Precipitación. Adsorción por carbón activado. Intercambio iónico. Ósmosis inversa. Electrodiálisis. Remoción de nutrientes. Cloración. ClO2. Tratamientos biológicos.
• Tratamiento de aire contaminado. Interiores y exteriores.
• Tratamiento de sólidos contaminados. Suelos, sedimentos y cenizas.
• Acción desinfectante y bactericida. Inactivación de virus.
• Destino de los contaminantes. Intermediarios y coproductos. Inhibidores. Régimen cinético. Parámetros controlantes. Optimización. Mineralización.
• Métodos de análisis. Parámetros fisicoquímicos. TOC. Titulación con KMnO4. COD. TOD. BOD. Técnicas cromatográficas y de electroforesis capilar.

• Procesos inducidos por la generación de grupos hidroxilo. TAOs fotoquímicas y no fotoquímicas: clasificación. Estado actual de cada proceso.
• TAOs no fotoquímicas. O3/pH, H2O2/catalizadores, H2O2/O3, Procesos Fenton y relacionados. Fe en estado de valencia cero. Fe(VI) (ferrato). Oxidación electroquímica. Plasma no térmico. Haces de electrones. Radiólisis. Oxidación de agua sub- y supercrítica. Cavitación electrohidráulica y Sonólisis.
• TAOs fotoquímicas. Fotólisis homogénea directa. Fotólisis ultravioleta de vacío (VUV) del agua. Fotólisis VUV en fase gaseosa. Procesos oxidantes/UV: H2O2/UV, O3/UV, H2O2/O3/UV, H2O2/catalizadores/UV. Foto-Fenton. Ferrioxalato/UV. Peryodato/UV. Semiconductores/UV (fotocatálisis heterogénea). Oxígeno singlete. Tecnologías comerciales.

• Mecanismos de oxidación y reducción de compuestos químicos. Generación de radicales. Generación de grupos hidroxilo. Tipo de ataque en compuestos orgánicos. Abstracción de hidrógeno, adición electrofílica, transferencia de electrones. Breve repaso de leyes cinéticas.
• Breves nociones de fotoquímica. Leyes básicas. Procesos fotoquímicos primarios. Singlete y triplete. Desactivación del estado excitado. Rendimiento y eficiencia cuánticos. Medición de intensidad de luz (actinometrías). Fotólisis. Reacciones de transferencia de electrones inducidas por luz.  Ejemplos de reacciones fotolíticas de compuestos orgánicos e inorgánicos. Reacciones fotoquímicas sensibilizadas: generación de oxígeno singlete. Fotólisis ultravioleta de vacío (VUV): fundamentos teóricos.

• Fundamentos químicos de la ozonólisis. Acción del pH. Agregado de peróxido. Efecto de la iluminación. Mecanismos.
• Fundamentos químicos de la reacción de Fenton y relacionadas. Uso de especies de hierro en distintos estados de oxidación para la transformación de sustratos químicos.
• Oxidaciones fotoquímicas. Generación de grupos hidroxilo y otras especies por irradiación de H2O2. Agregado de O3. Agregado de oxidantes. Mecanismos involucrados en los procesos Fenton y foto-Fenton.

• Fundamentos. Teoría de semiconductores y acción de la luz. Generación de pares electrón/hueco. Generación de radicales hidroxilo.
• Materiales semiconductores.
• Oxidación de compuestos orgánicos.
• Reducción de metales.
• Factores que influyen sobre la actividad fotocatalítica. Papel de la adsorción. Leyes cinéticas.
• Reacciones en agua y en fase gaseosa. Modificación de semiconductores. Otros usos de la fotocatálisis.

• Fundamentos: Metabolismos aeróbico y anaeróbico. Metabolismo de compuestos xenobióticos. Reacciones cometabólicas.
• Procesos batch y continuo. Transferencia de nutrientes. Diferentes tipos de reactores.
• Reactores con células inmovilizadas, diferentes modos de operación.
• Degradación de compuestos recalcitrantes en reactores biológicos.
• Procesos y  Reactores de biosorción.

• Combinación de tecnologías de remediación.
• Diseño de sistemas. Diseño de reactores. Características de lámparas. Materiales de construcción. Seguridad. Sistemas comerciales. Uso de luz solar.
• Consideraciones económicas y ecológicas. Inversión y mantenimiento. Consumo energético. Números de mérito. Energía eléctrica por orden (EE/O). Energía eléctrica por masa (EE/M).

Bibliografía

• Environmental Chemistry, S.E. Manahan, Lewis Publishers, Inc. (1991).
• Water Treatment Handbook, Degrémont, 6ª. Ed., Lavoisier Publish. (1991).
• Aquatic Chemistry, W. Stumm y J. Morgan, 3a. Ed., Wiley (1996).
• Chemistry of the Solid-Water Interface, W. Stumm, Wiley (1992).
• The Geochemistry of Natural Waters, 2ª. Ed., J. I. Drever, Prentice Hall (1988).
• Eliminación de contaminantes por fotocatálisis heterogénea. Texto colectivo elaborado por la Red CYTED VIII-G, M.A. Blesa (Editor), Digital Grafic, La Plata, 2001. Disponible en http://www.cnea.gov.ar/
• US/EPA Handbook of Advanced Photochemical Oxidation Processes, EPA/625/R-98/004.
• “Photochemical Processes for Water Treatment”, O. Legrini, E. Oliveros y A.M. Braun, Chem. Rev. 93, 671-698 (1993).
•  “The AOT Handbook”, Calgon Carbon Oxidation Technologies, Ontario, 1996.
• “Introduction to photochemical advanced oxidation processes for water treatment”, M.I. Litter, "The Handbook of Environmental Chemistry", Vol. 2, Part M (2005), Environmental Photochemistry Part II. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2005, pp. 325-366. P. Boule, D.W. Bahnemann, P.K.J. Robertson (Eds.).
• Recopilación de artículos de distintas revistas de circulación internacional (Environ. Sci. Technol., Chemosphere, J. of Adv. Oxid. Technologies, Water Res.) y Actas de Congresos Internacionales sobre el tema.
• Environmental Biotechnology. Gareth Evans and Judith Furlong. Wiley. 2003.
• Biodegradation and bioremediation. Martin Alexander. Academic Press. 1994.

Dres. Marta I. Litter, Gustavo Curutchet, Roberto Candal
Junio 2008