Modelado y caracterización experimental de los efectos difusivos en procesos fotocatalíticos con radiación UV en medios acuosos

Abstract

La fotocatálisis heterogénea es una tecnología avanzada de oxidación para descontaminación de agua y aire. Este proceso utiliza un semiconductor como catalizador, generalmente dióxido de titanio, que es activado con radiación ultravioleta. La principal ventaja de estas reacciones es que logran mineralizar completamente una gran cantidad de contaminantes orgánicos. En la mayoría de los estudios cinéticos con reactores fotocatalíticos que utilizan dióxido de titanio en suspensión, se han considerado condiciones de mezcla perfecta para obtener los parámetros cinéticos. Sin embargo, bajo determinadas condiciones de operación, las limitaciones a la transferencia de materia se hacen presentes disminuyendo la eficiencia del fotorreactor y el régimen de control cinético no es garantizado. En la presente tesis se estudian los efectos difusivos en un proceso de degradación fotocatalítica de un contaminante modelo (ácido dicloroacético) en medio acuoso, empleando un reactor de lecho suspendido y dióxido de titanio como catalizador. Se propone un modelo para el balance de materia del fotorreactor que considera la posible existencia de un régimen de control difusivo. Con este modelo se observan significativos gradientes de concentración en el seno del fluido que derivan de la no uniformidad del campo de radiación. Además son consideradas las limitaciones de transporte externo e interno a la partícula catalítica (o aglomerados). Finalmente se realiza la validación experimental del modelo matemático propuesto. En ausencia de fuertes condiciones de mezclado los datos experimentales obtenidos son ajustados mejor por el modelo riguroso que por el modelo de mezcla perfecta.

The photocatalysis heterogeneous is an advanced oxidation technology applied to water and air decontamination. This process involves a solid semiconductor catalyst, regularly titanium dioxide, which is activated with ultraviolet light. The main advantage of these reactions is that a wide range of organic contaminants may be fully destroyed. The majority of kinetics studies with photocatalytic reactors employing titanium dioxide in suspension have considered perfect mixing conditions to obtain the kinetic parameters. However, under certain operating conditions, mass transfer limitations starts to appear, leading to a less photoreactor effectiveness and the kinetic regime control is not guaranteed. In the present thesis, the diffusive effects are studied in a photocatalytic degradation process of a model contaminant (dichloroacetic acid) in aqueous media, employing a slurry reactor and titanium dioxide as the catalyst. A mass balance model is proposed to describe the performance of the photoreactor, considering the possibility of the existence of a diffusive controlling regime. Significant concentration gradients in the bulk derived from the non uniformity of the radiation field are observed with this model. In addition, the external and internal catalytic particle (or agglomerate) transport limitations are considered. Finally, the experimental verification of the proposed mathematical model is made. In the absence of strong mixing conditions, a better fitting of the experimental data is obtained for the rigorous model than for the perfect mixing model.