Tecnología de tratamiento de aguas residuales con oxidación por plasma

Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) utiliza plasma frío para el tratamiento del agua industrial. El sistema contiene pilas de electrodos que generan tipos especiales de descargas eléctricas para crear un campo de plasma a temperatura ambiente dentro de un reactor.

El agua a tratar se deja pasar a través del volumen de plasma con una alta superficie de contacto específica plasma-agua. La maximización de la superficie de contacto permite la formación de abundantes radicales OH en la interfaz, lo que contribuye a la oxidación efectiva de los contaminantes disueltos.

Intuitivamente, generar descargas eléctricas para tratar el agua puede sonar a energía intensa, pero la base del proceso del Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) está en un enfoque preciso de la energía eléctrica justo donde se necesita a escala molecular, lo que se traduce en un medio sofisticado de activar las reacciones de oxidación deseadas con un aporte mínimo de energía. Se han estudiado varias configuraciones de reactores con diferentes tipos de plasmas para aplicaciones de purificación de aguas residuales. En general, se acepta que una descarga directa en fase gaseosa puesta en contacto con agua líquida es una solución mejor que los intentos de romper la descarga a través del agua con electrodos sumergidos.

De nuevo, por muy intuitivo que sea crear el plasma a través del agua para el contacto final, este enfoque sufre inevitables pérdidas de energía, ya que depende de la vaporización del agua para formar una vía conductora para la propagación de la descarga. El enfoque de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) combina la gran superficie de contacto plasma-agua con las ventajas de una simple descarga eléctrica en fase gaseosa.

El plasma, el cuarto estado de la materia, se forma cuando se ioniza el aire o algún otro gas o mezcla de gases. La ionización del aire permite que pase una corriente eléctrica a través de él. En palabras quizá más coloquiales, plasma significa básicamente descarga eléctrica, como la de un rayo, o la que se ve dentro de las luces fluorescentes, o la chispa entre los bornes de una bujía del motor de un auto. Es conveniente e importante separar los tipos de plasma en plasma caliente y plasma frío.

Los plasmas calientes son muy calientes, como los rayos y los arcos de soldadura (hasta miles de grados), mientras que los plasmas fríos se mantienen más cerca de la temperatura ambiente. La diferencia termodinámica se debe al movimiento molecular: en los plasmas calientes, tanto los electrones como los iones del gas están energizados, mientras que en los plasmas fríos sólo lo están los electrones. Para la purificación de aguas residuales industriales, no hay razón para gastar energía en energizar los iones, lo que significa que se prefieren los plasmas fríos. La razón es que sólo se necesitan electrones de alta energía para la generación de radicales OH en una reacción muy directa::

 e− + H2O → e− + OH + H

La ecuación describe cómo un electrón (e-) que colisiona con una molécula de agua (H2O), con una energía cinética muy elevada, la divide en un radical OH y lo que se denomina hidrógeno atómico (H). El hidrógeno atómico es eliminado por el oxígeno ambiental para formar un radical hidroperoxilo, también oxidante, y el radical OH reaccionará instantáneamente con las sustancias circundantes. Dado que los radicales se forman a partir del agua tratada, puede decirse que en el tratamiento por plasma el agua se purifica a sí misma.

Debido a la alta reactividad de los radicales OH, es inherente que muchos de ellos se consuman en reacciones de desintegración inútiles. Por otro lado, también significa que los radicales OH residuales no se encuentran en el agua tratada a la salida del reactor. Como la eficiencia del proceso del Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) radica en la adecuada focalización de la energía en el calentamiento de electrones y no de iones, la eficacia se basa en la pura abundancia de los radicales OH en la interfaz plasma-agua. En efecto, cuando el plasma frío abraza una gota de agua, los radicales OH siguen formándose y desapareciendo mientras el permanece el contacto.

Otro importante oxidante formado en el proceso es el ozono. El ozono se produce a partir del oxígeno del aire ambiente y, de hecho, la eficiencia del proceso puede aumentarse con un concentrador de oxígeno accesorio acoplado para enriquecer la concentración de oxígeno interior. Se ha observado que la concentración de oxígeno enriquecida incluso duplica la eficiencia energética de la oxidación por plasma. Sin embargo, aunque es importante, el ozono desempeña un papel secundario en el proceso de oxidación, ya que los radicales OH son generalmente atribuibles al 60-80% del trabajo de oxidación. El papel de estos oxidantes depende de la composición de las aguas residuales; los radicales OH pueden reaccionar con compuestos que presentan un carácter refractario a la oxidación con ozono.

La motivación original para el tratamiento directo del agua residual por plasma fue crear una alternativa fundamentalmente más económica que la ozonización convencional.

Generar los oxidantes justo donde está el agua y aprovechar el poder de los radicales OH, cuya formación es un beneficio evidente cuando el plasma se pone en contacto con el agua.

También se consideró importante en la fase inicial de diseño que el sistema fuera muy sólido, que tolerara condiciones duras, que no tuviera partes móviles y que no presentara erosión de los electrodos atribuible a las descargas eléctricas.

Estas características se han incorporado al diseño actual de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) y el resultado es un sistema de poco mantenimiento que sólo pone en contacto el acero inoxidable con el agua, sino también piezas móviles y sin erosión de los electrodos.

Otra característica distintiva de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) es su capacidad para tolerar aguas de alta conductividad, lo cual no es una característica obvia para un sistema que reúne descargas eléctricas con agua.

Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) puede funcionar sin químicos adicionales, usando sólo electricidad.

La primera generación de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) se lanzó con una potencia de salida de plasma de 2 KW y una capacidad máxima estándar de 25 m³/h. Para necesidades de mayor capacidad, Roxia construyó el primer prototipo de 10 KW a finales del año 2020, capaz de hacer funcionar 240 m³/h de agua a través de la oxidación por plasma.

La mayoría de las aplicaciones adecuadas tienen que ver con la destrucción de contaminantes orgánicos. Algunos compuestos inorgánicos también pueden ser muy susceptibles a una reacción con los oxidantes: los metales pueden eliminarse de los complejos organometálicos y oxidarse a un estado de valencia más alto y formar óxidos (algunos metales como el Mn y el Fe se precipitarán así) tipo nítricos y sulfúricos que pueden ser oxidados en nitratos y sulfatos, etc.

Los hidrocarburos aromáticos y otros contaminantes orgánicos con dobles enlaces insaturados en su estructura molecular son objetivos fáciles para la oxidación por plasma. Las estructuras más simples suelen ser las más refractarias, como los ácidos orgánicos de bajo peso molecular, como el ácido fórmico y el oxálico. Sin embargo, convenientemente, estos tipos de compuestos a menudo pueden ser ambientalmente benignos y fácilmente biodegradables. Si bien estas pautas pueden ser útiles para estimar la aplicabilidad del proceso frente a determinados contaminantes, es importante comprender que son generalizaciones entre grupos de escenarios típicos y una multitud de excepciones esenciales.

El fenol es una sustancia modelo típica utilizada en estudios de nuevas tecnologías de oxidación para proporcionar un punto de comparación en rendimiento y eficiencia energética. La tecnología Roxia Plasma Oxidizer ha demostrado un rendimiento notable en la degradación de fenol con una eficiencia de eliminación de 88 g/KWh en funcionamiento con aire ambiente y un rendimiento aún más impresionante de 138 g/KWh en una atmósfera de oxígeno enriquecida (concentración inicial de 100 ppm)

Otro estudio para la eliminación de furfural a partir de 500 ppm arrojó una eficacia de 133 g/KWh en soluciones básicas y de 182 g/KWh en las ácidas, lo que demuestra cifras muy elevadas y da un ejemplo del efecto del pH en la eficiencia. No obstante, cabe señalar que, al contrario de lo que ocurre con el furfural, un PH elevado suele ser beneficioso para la eficiencia energética de la oxidación debido a ciertas vías de reacción del ozono dependientes del PH, lo que destaca que la calidad del agua suele ser la variable principal. Los grandes grupos de otros contaminantes con estructuras moleculares cíclicas incluyen, por ejemplo, los productos farmacéuticos y los pesticidas, la mayoría de los cuales tienen uno o más elementos cíclicos. Un gran grupo con muchos compuestos individuales probados para el tratamiento del agua residual por plasma como productos farmacéuticos se discuten con más detalle en un párrafo posterior.

Los ácidos orgánicos como los ácidos fórmico, oxálico, acético y succínico también son compuestos populares. Exhiben velocidades de reacción más bajas con oxidantes y por estas propiedades proporcionan buenos sujetos para estudios científicos. En la práctica, rara vez plantean un problema debido a su biodegradabilidad natural y su inocuidad general. Estas sustancias con bajo peso molecular suelen ser más refractarias que los hidrocarburos aromáticos y más pesados, y aunque la tecnología Roxia Plasma Oxidizer también ha mostrado índices de oxidación comparativamente altos, se encuentran pocas aplicaciones prácticas en operaciones industriales.

Los productos farmacéuticos constituyen el grupo más amplio de sustancias químicas estudiadas para su degradación en diversas aguas residuales con la tecnología de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO). Se han observado más de 40 sustancias químicas en las aguas residuales urbanas, hospitalarias e industriales. Se ha demostrado que la tecnología reduce sustancialmente la carga farmacéutica en el medio ambiente cuando se instala en una fuente puntual, como la línea de alcantarillado de un hospital antes de la conexión a la red urbana, o al final de un tratamiento de aguas residuales (Waste Water Treatment Plant WWTP) para servir de tratamiento complementario.

Un mayor número de productos farmacéuticos con concentraciones más elevadas se dan en fuentes puntuales como las aguas residuales hospitalarias, lo que las convierte en un lugar conveniente para cortar el contenido antes de su dilución en la red. Incluso la mezcla compleja de una demanda química de oxígeno (DQO) en inglés Chemical Oxygen Demand (COD) muy alta, característica de las aguas residuales hospitalarias no tratadas, se ha observado que es un medio viable para el tratamiento de Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO), ya que los resultados han demostrado que los productos farmacéuticos que se encuentran en nano y en microconcentraciones se degradan en gran medida por debajo del nivel analítico de detección. Dado que las especies transformadas no son visibles en los análisis, a menos que se determine específicamente, se han realizado más estudios para garantizar que los posibles productos de transformación también se ven afectados: trabajos previos con el fármaco antiepiléptico carbamazepina, cualquier producto de transformación identificado.

Los accidentes de derrame con aditivos de combustible como el éter metil tert-butílico (MTBE) y los residuos de petróleo disuelto suponen un gran peligro para los acuíferos y se sabe que hacen que agua subterránea no sea potable. Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) ha demostrado una gran eficacia en la destrucción tanto de la fracción de petróleo disuelto como del MTBE con un consumo de energía muy aceptable. El proceso no selectivo oxida fácilmente cualquiera de estos compuestos, produciendo un agua más segura para su reutilización o eliminación.

Otra aplicación específica y de gran potencial es la destrucción de los residuos de xantato de aguas mineras. Hasta ahora no existía un proceso adecuado a escala industrial para eliminar estos auxiliares de flotación de forma razonable. Los experimentos con Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) en esta aplicación demostraron un requerimiento de energía muy bajo para la eliminación completa a partir de concentraciones típicas, como se visualiza en la figura 2. Roxia también ofrece otras soluciones integrales para el tratamiento de aguas residuales industriales.

La eliminación del color es otra tarea típica de un AOP. Si bien el alto color y la turbiedad excluyen naturalmente los procesos que dependen de la luz ultravioleta, el tratamiento por plasma es insensible a la turbiedad porque los oxidantes se producen en el lado gaseoso de la superficie del líquido y no se requiere transmisión de luz a través del medio líquido. La eliminación del color puede ser muy eficiente, la eficiencia depende de varios parámetros de tratamiento y de la composición del propio color. La figura 3 muestra la reducción del color en el tratamiento con plasma de varias aguas residuales industriales.

Una de las principales aplicaciones del tratamiento por plasma es la desinfección de aguas de proceso. Los beneficios paralelos que complementan la desinfección del agua incluyen la destrucción de cualquier otro contaminante orgánico, los contaminantes de aceite disueltos y la eliminación de los olores y el color residual: el agua tratada por plasma es fresca e incolora. Se han obtenido resultados extremadamente buenos en el control microbiano de aguas de proceso con requerimientos energéticos muy modestos, de <0,05 KWh/m³. En estas aplicaciones, en las que el requerimiento específico de dosis de energía sigue siendo muy bajo, se pueden lograr grandes capacidades volumétricas con una inversión y gastos operativos relativamente bajos. Es bien conocido que el agua activada por plasma transmite su capacidad de desinfección a la masa de agua receptora e inactiva las bacterias y los virus con un efecto duradero, lo que, junto con los insignificantes requisitos de mantenimiento, convierte a Roxia Plasma Oxidizer™ (RPO) en una solución de última generación muy atractiva para la desinfección de aguas residuales industriales.

Petri Ajo es el director de Roxia Environmental Technologies. Licenciado (Tech), tecnología ambiental, 2012, M.Sc. (Tech), tecnología ambiental, 2013, Doctor, Sc. (Tech), ingeniería química ecológica, 2018.