Tratamiento fotocatalítico de compuestos orgánicos volátiles en fase gas – 1º Parte

La oxidación fotocatalítica de hidrocarburos de bajo peso molecular en fase gas es objeto de considerable atención desde los años 70 y 80. El hecho de que el tricloroetileno (TCE) pudiera ser rápidamente oxidado en aire sobre dióxido de titanio irradiado potenció el interés sobre los procesos de fotooxidación en fase gas como método potencial para reducir las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COVs) en el ambiente.

En los últimos años se ha prestado especial atención a las reacciones que tienen lugar sobre la superficie iluminada de óxidos metálicos semiconductores, como es el TiO2. El dióxido de titanio tiene una energía moderada de band-gap entre la banda de conducción y la de valencia.

Bajo la iluminación con fotones de mayores energías que el band-gap, los electrones de la banda de valencia pueden ser excitados a la banda de conducción creando pares electrón-hueco altamente reactivos. La fotoactivación se lleva a cabo con fotones del ultravioleta (UV) cercano (300-370 nm). En la superficie del sólido, esto puede conllevar procesos de transferencia de electrones con sustancias adsorbidas de potencial redox adecuado. De esta forma el compuesto semiconductor es capaz de promover reacciones catalíticamente fotoasistidas.

En la superficie de los huecos reacciona con el agua adsorbida o con los grupos OH- para formar radicales .OH

Los electrones en exceso de la banda de conducción probablemente reaccionan con oxigeno molecular para formar iones superoxido.

Los radicales .OH son fuertemente reactivos atacando rapidamente a molecular orgánicas degradandolas a CO2 y H2O. Un esquema de este proceso se representa en la Fig. 1.

El dióxido de titanio (TiO2), material con mayor eficiencia para la destoxificación catalítica, es un semiconductor con 3.2 eV de energía de banda prohibida y, por lo tanto, solo absorbe luz capaz de formar pares e-/h- por debajo de 387 nm. Dado este nivel de 387 nm, y ante el interés del proceso, surge inmediatamente la posibilidad de la utilización de la radiación solar o lámparas UV alternativas de bajo costo .

Al igual que ocurre en los procesos de foto-oxidación que utilizan luz + ozono, o luz + peróxido de hidrógeno, o luz + O3 + H2O2, el interés potencial de las aplicaciones fotocatalíticas surge de la destrucción simultánea de contaminantes. Mientras que la luz sola o un oxidante por sí solo (H2O2, O3) producen únicamente una destrucción parcial del contaminante, solo la utilización simultánea de luz y oxidante sobre un semiconductor actuando como catalizador de la reacción han demostrado alcanzar completamente la mineralización de carbono orgánico hasta dióxido de carbono. Este hecho supone la ventaja central de los procesos fotocatalíticos para el tratamiento de contaminantes en aire.

El componente básico del sistema es un fotorreactor que puede incorporar distintos tipos de catalizadores. El más utilizado por este grupo de investigación incorpora un catalizador monolítico con estructura de nido de abeja lo que permite altos flujos a su través con muy poca perdida de carga. Fig 2. Con adaptaciones específicas para la tecnología solar Figs. 3 y 4 o diseños tubulares másicos o impregnados en TiO2 para trabajar las 24 horas del día utilizando lámparas UV. Fig. 5.

Fig. 2.- Reactor fotocatalítico para el tratamiento de gases con catalizador monolítico incorporado

Benigno Sánchez, Ana Cardona y Manuel Romero
CIEMAT Departamento de Energías Renovables.
Avda. Complutense,22. 28040. Madrid. España.