1. Introducción
De la cantidad total de agua existente en la Tierra tan solo el 1,0 % es potable. Un mal tratamiento de
esta ha causado problemas sanitarios y enfermedades asociadas a comunidades enteras, ya que 80 % de las enfermedades que
azotan a los países en vía de desarrollo son ocasionadas por un abastecimiento de agua deficiente (
Sarria et al., 2005). El acceso al agua potable es un derecho imprescindible, ya que satisface las
necesidades básicas referidas a la salud y las condiciones de vida de las poblaciones humanas, expresado por el derecho de
gozar de altas coberturas en los servicios de agua y saneamiento. Sin embargo, a nivel mundial aún se identifican
deficiencias en la calidad de la prestación de los servicios, organización, ausencia de planificación e insuficiente
inversión que puedan garantizar, a medio y largo plazo, el sostenimiento de las coberturas en los servicios de agua y
saneamiento en numerosos países
A pesar de la limitación para obtenerla en una calidad aceptable, el agua es el elemento central de todos
los procesos vitales, sociales y económicos que forman parte de un ciclo cerrado. Este ciclo se encuentra en crisis, debido
a que el incremento y desarrollo de la sociedad de consumo exige un aumento constante de las actividades industriales y
agroindustriales (
Sarria et al., 2005)
Este creciente problema exige un riguroso control de la contaminación y una legislación cada vez más
exigente. Como respuesta a ello, y dada la incapacidad de los métodos convencionales para remover efectivamente muchos de
los contaminantes existentes, en los últimos años se ha presentado una intensa búsqueda de nuevas y eficientes tecnologías
de tratamiento de aguas (
Ollis y Al-Ekabi, 1983). Y, debido a la progresiva demanda de la sociedad para la descontaminación de
aguas contaminadas de diversos orígenes, se han materializado regulaciones cada vez más estrictas.
En la práctica, la aplicación de los métodos de tratamiento debe tener en cuenta, fundamentalmente, la
naturaleza y las propiedades fisicoquímicas de las aguas o efluentes a tratar (
Water Treatment Handbook, 1991). En general, las aguas contaminadas por la actividad humana pueden ser
procesadas eficientemente por plantas de tratamiento biológico, por adsorción con carbón activado u otros adsorbentes o por
tratamientos químicos convencionales (oxidación térmica, cloración, ozonización, permanganato de potasio, entre otros.).
Sin embargo, en algunos casos estos procedimientos resultan inadecuados para alcanzar el grado de pureza requerido por ley
o por el uso ulterior del efluente tratado. En estos casos, y debido a la escasez del hídrico, en los países
industrializados se está recurriendo al uso de las llamadas tecnologías o procesos de oxidación avanzada (TOA, POA), los
cuales son muy poco aplicados y, peor aún, menos difundidos en los países de economías emergentes como los de América
Latina. La mayoría de POA pueden aplicarse a la remediación y detoxificación de aguas especiales, generalmente en pequeña o
mediana escala. Los métodos pueden usarse solos o combinados entre ellos o con métodos convencionales, pudiendo ser
aplicados también a contaminantes de aire y suelos e incluso permiten la desinfección por inactivación de bacterias y
virus.
A continuación se describirán los fundamentos básicos de POA.
2. Procesos de oxidación avanzada
2.1 Fundamentos de la oxidación química
Históricamente, la contaminación antropogénica de las aguas se ha tratado con métodos convencionales como
los procesos biológicos, floculación-precipitación, cloración o adsorción en carbón activo, por citar algunas tecnologías
de uso común. Sin embargo, en ciertas ocasiones este tipo de tecnologías no son eficientes, bien sea por la alta toxicidad
del efluente a tratar, porque con las tecnologías disponibles no es posible alcanzar los requerimientos de vertido
requeridos o, simplemente, por la diversa cantidad de contaminantes que esta contiene, siendo cada vez más común la
presencia de compuestos persistentes en las aguas de consumo, aguas superficiales o en los efluentes de las depuradoras (
Ikehata, 2008). Esta es una prueba irrefutable de la necesidad de procesos más intensivos en la
destrucción de sustancias contaminantes.
En las últimas décadas, las tecnologías de oxidación avanzada se han consolidado como una alternativa
eficiente en la destrucción de sustancias tóxicas, incluyendo las orgánicas, inorgánicas, metales o patógenos. En general,
en el tratamiento de aguas las tecnologías de oxidación avanzada se utilizan cuando los efluentes contaminados tienen una
alta estabilidad química o una baja biodegradabilidad (
Poyatos et al., 2010). Es cada vez más común el uso de la oxidación avanzada en los tratamientos
terciarios y, especialmente, en las plantas depuradoras de ciertas industrias. Estas tecnologías se han utilizado en la
remediación de suelos contaminados, aguas subterráneas o superficiales y sustancias gaseosas (
USEPA, 1998;
Gogate y Pandit, 2004).
Actualmente, los estudios se enfocan en la búsqueda de valores óptimos para los diferentes parámetros que
afectan el proceso de oxidación: pH, temperatura, diseño del reactor, naturaleza y concentración del contaminante y agentes
oxidantes que puedan mejorar la reacción. Además, se estudia con detalle la cinética de reacción, que generalmente es de
primer orden, con respecto a la concentración de radicales hidroxilos (°OH) y a la concentración de las especies a ser
oxidadas. Generalmente, las velocidades de reacción están en el rango de 108-1011 L mol L
-1 s L
-1 y la concentración de radicales °OH está entre 10-12 mg L
-1,, variable que juega un papel muy importante en la real aplicación del proceso (
Arslan-Alaton, 2003).
Los radicales °OH se generan
in situ por la aplicación directa o por la combinación de agentes oxidantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno,
la radiación ultravioleta o las sales férrico/ferrosas, entre otras. Entre la gran variedad de tecnologías disponibles las
más comunes son: la combinación UV y peróxido (UV/H.O.) (
Li et al., 2011), el reactivo Fenton (Fe
2+/H.O.) (
Gogate, 2010) y dos de sus variantes como el foto-Fenton (
Saatci et al., 2010) y el hierro cero-valente (Fe.) (
Kallel, 2009), que es una combinación de las anteriores, o la fotocatálisis (UV/TiO.) (
Ovhal, 2010). La continua innovación de estas tecnologías está propiciando nuevos desarrollos con la
aplicación de microondas (
Zhao, 2011), nuevos catalizadores, ultrasonidos (
Khatri, 2011;
Mahamuni, 2010), entre otros. Una de las posibles formas de clasificación de este tipo de tecnologías
la ofrece Poyatos (
2010) que distingue, principalmente, las tecnologías homogéneas y heterogéneas. Tal como se muestra en
la
figura 1.
Existen otras tecnologías que pueden incluirse entre POA como el tratamiento con barreras permeables
reactivas de Fe metálico (
Deng et al., 1999) y la oxidación con K.FeO. (Fe
3+). Sin embargo, en esta revisión nos referiremos solo a aquellas tecnologías que involucran principalmente al
radical °OH.
En la
tabla 1 se muestran las principales tecnologías de oxidación avanzada, algunas de las cuales son
evaluadas a escala nivel laboratorio y planta piloto.
Figura 1
Clasificación de las tecnologías de oxidación avanzada a presiones y temperaturas ambientales
Sanz et al., 2013
2.2 Ozonización/Peróxido de hidrógeno
El ozono es un gas incoloro, de olor fuerte, con alto poder oxidante (Eo=2.08V). Es la forma triatómica
del oxígeno y en fase acuosa se descompone rápidamente a oxígeno y especies radicales (
Teixeira, 2002). El primer trabajo utilizando ozono como desinfectante fue hecho por De Mertens en
1886. Sin embargo, solamente hasta 1973, durante el primer Simposio Internacional en Ozono realizado en Washington, se usó
la terminología Tecnologías de oxidación avanzadas (
Rodriguez et al., 2008). El ozono ha sido estudiado varios años atrás, principalmente en tratamiento
de agua para abastecimiento. Sin embargo, dada su reconocida capacidad de oxidar compuestos de difícil tratabilidad, su
utilización en diferentes efluentes industriales está siendo cada vez más citada en la literatura. Por ejemplo, en varios
trabajos se reporta su aplicación en el tratamiento de los efluentes industriales de la industria de papel y celulosa (
Mounteer, 2005). Azbar et. Al. (
2004) trabajaron en la degradación de algunos compuestos presentes en efluentes de la industria textil.
Además, también se ha utilizado para remoción de algunos pesticidas y compuestos fenólicos presentes en trazas (
Lopez-Lopez, 2007).
La aplicación de ozono favorece la remoción del color con eficiencias de remoción entre 95 % y 97 %,
tratando efluentes de la industria de pulpa y papel (
Pokhrel y Viraraghavan, 2004). Sin embargo, en lo que se refiere a la reducción de demanda química de
oxígeno (DQO) o carbono orgánico total (COT) las eficiencias no exceden usualmente 50 % a 40 %, respectivamente (
Agustina et al., 2005).
En la
tabla 2 se muestran las eficiencias en diversos tratamientos por ozonificación o adición de peróxido de
hidrógeno.
Tabla 2
Eficiencias de reducción en proceso de oxidación por ozono/peróxido de hidrógeno.
2.3 Proceso Fenton
El proceso de oxidación Fenton se conoce por su alta efectividad en la descontaminación de aguas
provenientes de la industria petroquímica, textil, farmacéutica, papelera, entre otras. (
Babuponnusami y Muthukumar, 2014). Al emplear los procesos Fenton se puede obtener una degradación
parcial o total de contaminantes inorgánicos y orgánicos persistentes, dando lugar a una disminución de la toxicidad del
efluente (
Durán Moreno et al., 2011).
El proceso Fenton fue descrito por primera vez en 1894 por Henry J. Fenton cuando descubrió que el
peróxido de hidrógeno (H.O.) podía activarse con iones ferrosos para oxidar ácido tartárico (
Pignatello et al., 2006). Este proceso consiste en la adición de sales de hierro en presencia de H.O.,
en medio ácido, para la formación de radicales °OH. A la combinación de H.O.y sales de hierro se denomina reactivo Fenton (
Ghosh et al., 2010).
A continuación, se muestra la disociación de las sales férricas y H.O. en la ecuación 1 y la 2.
Fe
2+ + H.O. à Fe
3+ + OH + °OH (ec. 1)
Fe
3+ + H.O. à Fe
2+ + H. + HO.° (ec. 2)
Además de formarse radicales °OH se generan radicales perhidroxilo (HO.°), los cuales inician una reacción
de oxidación en cadena para eliminar la materia oxidable. Sin embargo, los radicales HO.° presentan menor poder de
oxidación que los °OH (
Domenech et al., 2004).
Diferentes autores coinciden en que el rendimiento del proceso de oxidación Fenton depende de la
concentración del agente oxidante y catalítico, temperatura, pH y tiempo de reacción (
Ghosh et al., 2010). Asimismo, la eficiencia está relacionada con la naturaleza del contaminante a
degradar y con la presencia de otros compuestos orgánicos e inorgánicos (
Kavitha y Palanivelu, 2004). En la
tabla 3 se compila un breve resumen de las condiciones de reacción y porcentajes de degradación.
Tabla 3
Eficiencias de reducción en el proceso de oxidación Fenton
Como se puede observar en la
tabla 3, el reactivo Fenton como POA ofrece una alta eficiencia en la remoción de contaminantes de
diversas fuentes. Pero, requiere de un ajuste de pH antes y después del tratamiento, debido a que funciona en medio ácido.
Así como de un tratamiento posterior para eliminar el hierro residual en el efluente, debido a que genera lodos tóxicos
durante el proceso.
2.4 Oxidación electroquímica
La electrodiálisis como POA electroquímico combina las membranas y el campo eléctrico, consiste en remover
componentes iónicos de soluciones acuosas empleando membranas permeables selectivas en un campo eléctrico constante
(Guastalli, et al, 2004). Esta técnica tiene la capacidad de remover iones contaminantes cargados de hasta 0.0001 ¼m
mediante hojas o laminas porosas de resinas de intercambio iónico con una baja permeabilidad relativa para el agua (
Taylor y Wiesner, 2002).
En cambio, la electrocoagulación es un proceso que aplica los principios de la coagulación-floculación en
un reactor electrolítico. Este es un recipiente dotado de una fuente de corriente y varios electrodos encargados de aportar
los iones desestabilizadores de partículas coloidales que reemplazan las funciones de los compuestos químicos que se
utilizan en el tratamiento convencional, induciendo la corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas (
Morante, 2002;
Caviedes-Rubio, 2015).
Mercado, González y Valencia, en el año
2013 realizaron un estudio en el que evaluaron la electro-coagulación a nivel laboratorio. Este
estudio tomó como parámetros la distancia entre electrodos (1.0 1.5 cm), densidades de corrientes bajas (3.6, 5.0 y 7.0 A)
y un tiempo de operación entre 10 y 15 minutos. Esta técnica electroquímica produce flóculos de hidróxido metálicos debido
a la electro-disolución de los ánodos de hierro. Se generan cationes metálicos en los ánodos debido a su oxidación
electroquímica, además de oxígeno (
Heidmann y Calmano, 2008). La separación de los contaminantes se produce por dos vías: flotación y
precipitación (
Meas et al., 2010)
En la
tabla 4 se mencionan las principales aplicaciones de la electroquímica en la remoción de metales
pesados, ya que la principal aplicación de este tratamiento es la separación por medio de la afinidad eléctrica de los
iones metálicos disueltos en aguas residuales.
Tabla 4
Eficiencias de reducción en el proceso de oxidación electroquímica
El proceso de electrodiálisis es uno de los más caros debido a las membranas finas que se ocupan en este.
Además de ser un proceso que necesita constante supervisión, debido a que las membranas, cuando se encuentran saturadas,
pueden inhibir la reacción. Mientras que los procesos de electrocoagulación son recientes, y debido al poco estudio que se
le ha dado, se encuentran en desarrollo nuevos materiales de cátodos y ánodos o posibles agentes catalizadores que ayuden a
la formación de iones, los cuales den mejor resultado en el proceso de descontaminación.
2.5. Ventajas y desventajas
Los procesos de oxidación avanzada presentan ventajas y desventajas. A continuación, se mencionan las más
importantes:
Los procesos de oxidación avanzada son muy útiles para contaminantes refractarios que resisten otros
métodos de tratamiento, principalmente el biológico. Además, sirven para tratar contaminantes a muy baja concentración en
partes por billón (ppb).
Los POA eliminan efectos sobre la salud de desinfectantes y oxidantes residuales como el cloro y no forman
subproductos de reacción o se forman en baja concentración.
Una importante desventaja de los POA es que sus costos operacionales son relativamente altos, comparados
con los de los tratamientos biológicos convencionales. Sin embargo, su utilización como etapa de pretratamiento para el
aumento de la biodegradabilidad de las aguas residuales que contienen compuestos recalcitrantes puede ser potencialmente
justificada si los productos intermediarios resultantes son fácilmente degradados por microorganismos, aportando una mejor
calidad de agua y disminuyendo la contaminación de este hídrico sin importar la fuente puntal de donde provenga.