Modelado de un fotorreactor solar, aplicado a la degradación de un contaminante del agua

Abstract

En este trabajo se modeló un fotorreactor plano, homogéneo y perfectamente mezclado, activado con radiación solar ultravioleta. Luego, se analizó en forma teórica y experimental la degradación de un contaminante orgánico en solución acuosa por medio de la reacción de foto-Fenton asistida con radiación solar. Para modelar el campo de radiación en el interior del fotorreactor fue necesario conocer las componentes directa y difusa de la radiación que llegan a la ventana de entrada del reactor. Para ello, se recurrió a un modelo teórico computacional que predice dichas componentes. Se estudió en forma teórica y experimental la degradación del ácido fórmico en solución acuosa por medio de la reacción de foto-Fenton asistida con radiación solar. La reacción se llevó a cabo en el fotorreactor solar, perfectamente mezclado, con reciclo y operado en forma discontinua e isotérmica a temperatura ambiente. Se desarrolló un modelo teórico para predecir la concentración del contaminante en función del tiempo, teniendo en cuenta: (i) el campo de radiación dentro del reactor, el cual se modeló considerando un medio homogéneo, participativo y reaccionante y (ii) el modelo cinético para esta reacción, para ello se adoptó un mecanismo de reacción aceptado en la bibliografía específica para la degradación de este compuesto por medio de la reacción de foto-Fenton. Se debe notar que se ha obtenido una degradación de hasta un 80% del compuesto orgánico., Luego, se compararon los valores predichos por el modelo desarrollado y los obtenidos experimentalmente, obteniéndose un error máximo del 9 %.

In the present work, the solar decomposition of formic acid (the model compound) in acidic aqueous solution using the Fenton and the photo-Fenton systems, has been studied. With this purpose, a nonconcentrating, flat-plate solar reactor has been modeled and experimentally validated. The theoretical model is based on: (i) a kinetic model that can account for the dark and the radiation activated reaction rates in a single mathematical expression, (ii) reactant species mass balances that are able to take into account that the irradiated volume (photo-Fenton reaction) may be much smaller than the nonirradiated volume (Fenton reaction), and (iii) a rigorous radiation field model for predicting the local volumetric rate of photon absorption (LVRPA) inside the flat-plate solar reactor, for each value of the solar radiation flux incident at the reactor surface of radiation entrance. The experimental work was performed in an isothermal, well-stirred solar reactor placed inside a batch recycling system having a high-flow-rate recirculating pump and a storage tank. Under the adopted operating conditions, an organic pollutant conversion up to 81% was achieved after one hour of operation. Predictions of the theoretical model were compared with experimental results and a good agreement of the formic acid and hydrogen peroxide concentration evolution was obtained. Deviations between model predictions and experimental data were always lower than 9%. Theoretical and experimental results of the pollutant conversion showed that solar irradiation improves the effectiveness of the Fenton system significantly.