Aplicaciones de la luminiscencia acuosa por cavitación hidrodinámica en la fotocatálisis: limpieza y desinfección de agua. Introducción. Casi medio billón de personas no tiene agua fresca para beber, y se espera que el número aumente a 2.8 billones en el año 2025. Por lo que es necesaria la mejora de tecnologías establecidas y emergentes para tratamiento de aguas residuales y su purificación. Como sabemos, hay una modificación continúa en la disponibilidad del agua y su ciclo por efectos totalmente humanos que hacen que haya una disminución continua de los recursos del agua, y por lo tanto que se necesiten tecnologías de punta para el tratamiento y remediación de ellas. Generalmente, las tecnologías más eficientes y económicas son las que desarrollan la integración de varias de ellas, es decir procesos híbridos. Actualmente hay varias tecnologías integrales en desarrollo [Gogate y Pandit 2003, 2004]. El sinergismo esperado entre los diferentes métodos híbridos es principalmente debido a la identificación de la reacción que controla el proceso de purificación y de limpieza del agua; el ataque de los radicales libres. Generalmente la combinación de dos o mas procesos de oxidación avanzada tales como UV/ozono, UV/H2O2, Ultrasonido/Ozono, sonoquímica/y oxidación sono-fotocatalítica permite un aumento en la generación de los radicales hidroxilo, OH, los cuales eventualmente resulta en un mejoramiento en la tasa de oxidación. La eficiencia de los procesos y la magnitud del sinergismo depende no solamente del aumento en el número de radicales libres sino también de la alteración de las condiciones o configuración permitiendo un mejor contacto entre los radicales libres con las moléculas contaminantes así como la optimización de los oxidantes y actividad catalítica. Por lo anterior, nosotros proponemos aumentar la eficiencia de los procesos de degradación llevando a cabo el sinergismo entre la cavitación luminiscente y catalizadores tipo Foto-fenton ó TiO2. Como sabemos, la cavitación es un fenómeno que es controlable y su uso más importante lo encontramos en la sonoquímica en donde la emisión acústica se utiliza para aumentar la velocidad de las reacciones a nivel industrial. Por otro lado, al alcanzar la cavitación luminiscente tenemos una ventaja más, porque las condiciones en la que ocurre la implosión de las burbujas son más violentas ya que emiten pulsos de luz cuyo espectro va del UV-VIS-IR (102 - 800 nm), alcanzando aproximadamente 5000 K de temperatura, 100 MPa de presión, 400 Km/hr de velocidad, emitiéndose además una onda de choque poderosa. En estas condiciones el vapor de agua que se encuentra dentro de la burbuja se disocia térmicamente formando radicales OH y oxidantes como H2O2 y O3, y permitiendo que la luz emitida puede activar fotocatalizadores que se encuentren a su alrededor aumentando sustancialmente la eficiencia en la limpieza (de contaminantes persistentes como pesticidas fertilizantes, y sustancias toxicas) y desinfección (rompiendo con su poderosa onda de choque la pared celular de microorganismos; como por ejemplo: los huevos de helminto que son muy difíciles de eliminar) del agua a nivel terciario. Esta propuesta constituye una aplicación a los estudios realizados en el proyecto DGAPA-PAPIIT “Estudios experimentales de la sonoluminiscencia y su análisis teórico por cuantización dinámica” y del proyecto A2 del Instituto de Ingeniería “Estudio integral para desarrollar un sistema de tratamiento y detección rápida de plaguicidas presentes en agua a base de nano-partículas tipo Fenton y un dispositivo por espectroscopia foto-acústica pulsada". PAPIIT Con el primero se establecieron los principios que rigen la sonoluminiscencia por colapso de una burbuja de gas inmersa en un líquido. Este proyecto ayudo a examinar los límites en los cuales sucede la sonoluminiscencia estable para alcanzar los pulsos de luz más intensos usando como medio líquido agua (Godínez y Navarrete, 2008). Contamos con resonadores esféricos de diferentes volúmenes en donde se reproduce la luminiscencia periódica por irradiación acústica. Sin embargo, debido a que su intensidad es débil y el ancho de su pulso es muy corto se optó por implementar otros métodos para reproducir la luminiscencia. Entre estos métodos se encuentra en colapso inercial de una burbuja cónica en tubo U. Este sistema se implemento durante este proyecto. El dispositivo en forma de U tubular termina en un cono en uno de sus brazos, en donde se hace colapsar inercialmente un volumen de gas previamente introducido a baja presión. Para generar el pulso de luz, se llena parcialmente el tubo U con un líquido, luego se hace vacío en ambos brazos y se le introduce gas a baja presión (2030 Pa) en el brazo en donde se encuentra la terminación cónica, en seguida, en el otro brazo, se introduce rápidamente aire a presión (125x103 Pa), alcanzando una relación de compresión de alrededor de 300 veces. En estos experimentos se encontró que la intensidad del pulso de luz disminuye al disminuir su ancho. El ancho de los pulsos varía de 40 a 200 microsegundos. Las bandas espectrales moleculares y atómicas de la luminiscencia vienen superpuestas sobre un continuo que incrementa su intensidad que va de 300 a 800 nm. Al disminuir la presión del gas domina la emisión molecular, mientras que a presiones más altas resulta en un continuo mas intenso. Esta aproximación hidrodinámica es mucho más atractiva que la aproximación acústica desde el punto de vista de la ingeniería para ser aplicada. (Ver Fig. A). Con el segundo proyecto se han sintetizado fotocatalizadores de Hierro soportados sobre carbón activado. Estos fotocatalizadores se basan en la reacción Fenton que se define como la generación catalítica de radicales hidroxilo a partir de la reacción en cadena entre el ión ferroso y el peróxido de hidrógeno, aunque esta reacción puede ser también iniciada por la presencia de iones férricos. La velocidad de reacción del reactivo Fenton está generalmente limitada por la velocidad de generación de radicales OH. Aunado a esto, también se desarrollo la metodología para detectar pesticidas a nivel traza por fotoacústica pulsada [Hernández y Navarrete, 2008]. Por lo descrito anteriormente, el objetivo principal de este proyecto es el desarrollo de un prototipo experimental para el tratamiento de aguas a nivel terciario aunado a un sistema de detección rápida de plaguicidas a nivel traza, aplicando la integración de las tecnologías: cavitación luminiscente y fotocatalizadores tipo fenton. Desarrollando además, una valoración económica e ingenieril para su aplicación a nivel semi-masivo. El tratamiento del agua se hará a través de una cámara de cavitación (reactor) que integrará las dos tecnologías: la cavitación hidrodinámica luminiscente y fotocatalizadores tipo Fenton; con ambas tendremos un aumento en la eficiencia biocida para la limpieza y desinfección del agua tratada. También, el proyecto propuesto pretende establecer un vínculo entre los investigadores que trabajan la parte teórica como la experimental de la cavitación luminiscente (II-Lab. de Pruebas no destructivas y CCADET-Laboratorio de fotofísica) y los investigadores que trabajan en los procesos físico- químicos para el tratamiento de aguas (II-Lab. de Ingeniería Ambiental) y de Mecánica Aplicada (II, Lab. de electromecánica ). Igualmente, el proyecto intenta ofrecer una contribución novedosa al establecer los principios de la cavitación luminiscente para limpieza y desinfección de agua a nivel terciario, así como establecer la metodología para la limpieza a nivel semi-masivo. Los resultados serán validados por medio de pruebas con otras técnicas conocidas. El proyecto completo se estima terminarlo en tres años. Para cumplir con el objetivo principal se abordará el problema desde varios puntos de vista experimental, fundamental y de divulgación: Experimental. Primara parte I. Evaluación de la producción de los radiales OH en la luminiscencia reproducida en tubo U. La evolución de la producción de los radicales OH y oxidantes H2O2 y O3 se hará mediante espectroscopia en tiempo real usando el dis

En los últimos años se han desarrollado diversas tecnologías para asegurar la prevención y el control de la contaminación ambiental causada por el uso y manejo de plaguicidas, fertilizantes y otras sustancias toxicas a lo largo de su ciclo de vida. Sin embargo, es en los países industrializados es en donde se desarrollan y aplican estas tecnologías, mientras que en México se han seguido ciertas opciones que frecuentemente no representan soluciones adecuadas, especialmente desde el punto de vista ambiental. O bien, se importan las tecnologías de los países desarrollados, sin considerar las diferencias tecnológicas, climatológicas, sociales, económicas y políticas, entre otras, y frecuentemente esas tecnologías no operan con la misma eficiencia en nuestro país. Se hace por lo tanto necesario que en México, particular en los estados de mayor producción hortícola y florícola como es el Estado de México que además cuenta con programas de recolección y disposición de envases vacíos de plaguicidas, se incorporen tecnologías viables para un control más eficiente de la contaminación ambiental causada por el uso de plaguicidas, fertilizantes y sustancias toxicas de manera que se favorezcan opciones acordes con los principios del desarrollo sustentable. Por ejemplo, la actividad florícola y hortícola del Estado de México es de gran importancia para el país; actualmente la floricultura representa el 50.4% del total nacional. La actividad agroindustrial de la flor en este estado se mantiene el primer lugar a nivel nacional. En el caso de la fruticultura destacan los cultivos de: aguacate, durazno, fresa, jícama y, en la horticultura, destaca la producción de maíz, frijol, chile, cebolla, tomate, calabaza, pepino, haba y chayote, entre otras. Uno de los problemas más preocupantes en esta zona es la contaminación del suelo y agua, originada principalmente por los agroquímicos y por los tiraderos municipales que se encuentran cerca de ríos, arroyos o barrancas; en estos sitios se pueden observar residuos sólidos domésticos mezclados con los recipientes metálicos y de plástico que contuvieron sustancias químicas utilizadas como fertilizantes y plaguicidas, provocando la contaminación del medio que los rodea; en las orillas a los campos de cultivo también se puede observar una gran cantidad de recipientes de agroquímicos provenientes de actividades agrícolas como la floricultura y fruticultura. Debido a la inadecuada disposición de los residuos sólidos y a la actividad agrícola de la zona se presentan problemas de contaminación del agua. Por ejemplo, el río Calderón hay un tiradero a cielo abierto al que llegan los envases vacíos de agroquímicos, en este sitio se genera una contaminación directa por los lixiviados y aporte directo al río. La descarga de aguas residuales directamente sobre los ríos o arroyos es evidente en toda la zona, los agroquímicos no solo son arrastrados a los cuerpos de agua superficiales, sino que se filtran a través del suelo llegando a los mantos freáticos (http://www.edomex.gob.mx/). Lo anterior es una breve descripción de los problemas que se tienen en el país y que hay que resolver de una manera u otra. Para contribuir a la solución de los problemas descritos nosotros proponemos el desarrollo de plantas de tratamiento y desinfección de agua a nivel terciario por medio de cavitación luminiscente aunado a fotocatalizadores tipo Fenton. Estas pequeñas plantas entrarían después del tratamiento global del agua, en donde quedan residuos persistentes de sustancias toxicas, como pesticidas, fertilizantes, colorantes, huevos de larvas etc. El proyecto propuesto aquí, es una aplicación novedosa que integra los resultados obtenidos de dos proyectos: uno de PAPIIT (IN103706) y el A2 (6005 y 8129)patrocinado por el Instituto de Ingeniería. El primer proyecto "Estudios experimentales de la sonoluminiscencia y su análisis teórico por cuantización dinámica" en la parte experimental, estuvo dedicado a la implementación del arreglo y el desarrollo de la metodología para la obtención de la luminiscencia por colapso de burbuja cónica en Tubo U. Con este dispositivo se obtiene luminiscencia ultra-brillante con un ancho de pulso del orden de los microsegundos (40-200) y energía de alrededor de 1-2 mJ. El dispositivo que diseñamos se basa en los trabajos publicados por Henwood, Leighton y Chen que fueron los primeros en usar un tubo cilíndrico en configuración de U y con uno de sus segmentos terminado en perfil cónico. Este dispositivo funciona como sigue: el tubo U es parcialmente llenado con un líquido, y el espacio que queda entre ambos brazos es evacuado con una bomba mecánica. En el brazo donde se encuentra la terminación cónica se le introduce un pequeño volumen de gas y luego se deja entrar aire súbitamente por el otro extremo, el líquido se mueve rápidamente hacia el otro brazo, en donde el gas quedo atrapado y se comprime colapsando violentamente en el ápex cónico generando luminiscencia. El dispositivo esta manufacturado en tubería de acero inoxidable y se emplean materiales para su extremo cónico de PMM, Polycarbonato y vidrio. Los líquidos que hemos empleado para desarrollar luminiscencia por colapso de burbuja cónica son: agua, 1, 2 propanodiol y glicerol con gas en pequeños volúmenes de Argón y Xenón. Ver Fig A. En general el resultado más importante de este proyecto es que se tiene un dispositivo en donde se reproduce la luminiscencia por colapso de burbuja cónica. En este dispositivo se permite cambiar: el gas, el medio líquido, y la razón de compresión. Se conocen los volúmenes óptimos de líquido y de gas para su reproducción en forma controlada (Godínez F, Navarrete M., 2007, Navarrete M., Sánchez C., Godínez F., Villgrán M., 2008). Ahora, en este proyecto se desarrollará una aplicación a estos conocimientos en la limpieza y desinfección de agua. Por otro lado los resultados más importantes alcanzados en el proyecto “Estudio integral para desarrollar un sistema de tratamiento y detección rápida de plaguicidas presentes en agua a base de nano-partículas tipo Fenton y un dispositivo por espectroscopia fotoacústica pulsada”, son los siguientes: 1. Se tiene una metodología para la detección de pesticidas a nivel traza por fotoacústica pulsada (Hernández F. y Navarrete M., 2008). 2. Se tienen la síntesis y caracterización de fotocatalizadores de hierro soportados en carbón activado (M. Navarrete, R. M. Ramírez, 2007). Por lo anterior, podemos decir que contamos con los conocimientos experimentales y teóricos para llevar a cabo este proyecto.