Degradación de contaminantes emergentes presentes en aguas reales empleando reactores solares a escala planta piloto

Abstract

Esta tesis doctoral propone el estudio sistemático, modelado y optimización del proceso foto-Fenton (PFF), a pH cercano a la neutralidad, utilizando Ferrioxalato como catalizador (proceso foto-Fenton/Ferrioxalato, PFF/FeOxa), aplicado a la remoción de paracetamol (PCT) presente en medios acuosos reales, empleando reactores a escala laboratorio y planta piloto, activados con radiación artificial o solar natural. En una fase inicial de investigación, se emplearon herramientas de diseño de experimentos y superficie de respuesta para analizar la influencia de las principales variables operacionales sobre la efectividad del PFF/FeOxa (temperatura, radiación, pH, concentración de especies activas). Posteriormente, se procedió al modelado de los PFF y PFF/FeOxa bajo diversas condiciones de reacción, empleando reactores fotoquímicos con múltiples geometrías y fuentes de radiación. Para todos los modelos desarrollados se obtuvo una correcta representación de las medidas experimentales realizadas para las principales especies reactivas presentes. Considerando que el peróxido de hidrógeno es uno de los principales reactivos químicos del PFF/FeOxa, se evaluó la intensificación del proceso empleando diversas estrategias de dosificación de agente oxidante (puntual, continua y combinaciones de ambas). Estas estrategias operativas fueron analizadas en reactores de laboratorio, y escaladas a reactores solares escala planta piloto empleando matrices acuosas reales. Se demostró la efectividad de los PFF y PFF/FeOxa estudiados en la eliminación no sólo del contaminante modelo y sus intermediarios de reacción, sino también en la reducción de la toxicidad de los efluentes tratados (Vibrio fischeri y células VERO), incluso en el tratamiento de matrices acuosas reales empleando fotorreactores activados con luz solar.

This doctoral thesis proposes the systematic study, modelling, and optimization of the photo-Fenton process (PFP), primarily at near-neutral pH, using ferrioxalate as a catalyst (photo-Fenton/Ferrioxalate process, PFP/FeOxa). This process is applied to the removal of paracetamol (PCT, a model contaminant) present in real aqueous media, employing laboratory-scale and pilot-scale reactors, activated with artificial or natural solar radiation. In the initial phase of this research, the design of experiments and response surface methodology were employed to analyze the influence of the main operational variables on the effectiveness of the PFP/FeOxa. These variables include temperature, radiation, pH, and concentration of active species, among the most significant. Subsequently, PFP and PFP/FeOxa modelling was conducted under various reaction conditions, employing photochemical reactors with multiple geometries and radiation sources. All developed models provided a satisfactory representation of the experimental measurements conducted for the main reactive species. Considering that hydrogen peroxide is one of the main chemical reagents in PFP/FeOxa, the intensification of the process was evaluated using various oxidant dosing strategies (punctual, continuous, and combinations of both). These operational strategies were analyzed in laboratory reactors and scaled to solar reactors at the pilot plant scale using real aqueous matrices. The effectiveness of the studied processes (PFF and PFF/FeOxa) was demonstrated in the removal not only of the model contaminant and its reaction intermediates but also in the reduction of the toxicity of the treated effluents (Vibrio fischeri and VERO cells), even in the treatment of real aqueous matrices employing solar-activated photoreactors.