Modelado de un reactor fotocatalítico para la eliminación de contaminantes del aire

Abstract

La contaminación de ambientes confinados representa un problema de magnitud para la salud. Una forma de controlarla es empleando la fotocatálisis heterogénea como técnica de destrucción de contaminantes. En esta tesis doctoral se realizó el diseño, montaje y modelado de un reactor fotocatalítico para la degradación de contaminantes del aire, empleando formaldehido como contaminante modelo. El reactor se construyó en acrílico y se emplearon lámparas de luz negra como fuente de radiación. En una primera etapa se estudió la cinética del proceso de degradación en un reactor de placa plana, en el que se empleó dióxido de titanio como catalizador inmovilizado sobre acero inoxidable. Se obtuvo una expresión analítica para la velocidad de reacción y mediante una serie de ensayos experimentales se obtuvieron los parámetros cinéticos. Luego, los datos obtenidos en el reactor de geometría sencilla fueron utilizados para el modelado de un reactor de pared corrugada. El aire conteniendo el formaldehído circula en forma sucesiva por canales triangulares que conforman la placa plegada con las ventanas del reactor. El modelado completo de este reactor incluyó el cálculo del campo de radiación y la resolución del intercambio radiativo entre paredes. Esto fue incorporado a un paquete comercial de fluidodinámica computacional en donde se obtuvo la solución numérica de los campos de velocidades y concentraciones. Se comprobó la factibilidad de la eliminación eficiente de formaldehído gaseoso; el modelo riguroso del reactor mostró ser ajustado y permite la simulación y optimización de reactores fotocatalíticos aplicados a la eliminación de contaminantes del aire.

Indoor air pollution is a major health problem. Heterogeneous photocatalysis is a suitable technique for the destruction of indoor contaminants. This PhD thesis included the design, assembly and modeling of a photocatalytic reactor for degradation of air pollutants, using formaldehyde as a model pollutant. The reactor was constructed in acrylic and black light lamps were used as radiation source. In a first stage, the kinetics of the degradation process in a flat plate reactor, using titanium dioxide as a catalyst immobilized on stainless steel was addressed. An analytical expression for the reaction rate was developed and, through a series of experiments, the kinetic parameters were obtained. Then, the data obtained in the simple geometry reactor was used for modeling a corrugated wall reactor. The complete modeling of this reactor included the calculation of the radiation field and the resolution of the radiative exchange between the walls. This was incorporated into a commercial computational fluid dynamics package and the numerical solution of velocity fields and concentrations were obtained. Heterogeneous photocatalysis proved to be an effective technology in the abatement of formaldehyde gas. The rigorous model of the reactor was well adjusted and allows the simulation and optimization of photocatalytic reactors applied to the removal of air pollutants.