Estudiantes de la UA de C desarrollan nuevo modelo de fotorreactor para tratamiento de aguas residuales

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4 octubre, 2018

Con el objetivo inicial de construir un aparato para pruebas de laboratorio sobre tratamiento de agua, estudiantes de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM) de la Universidad Autónoma de Coahuila (UAdeC) desarrollaron un prototipo de fotorreactor con diseño innovador.

Mediante este nuevo modelo de fotorreactor, alumnos de la carrera de ingeniería física ofrecen una alternativa de bajo costo que, hasta el momento, arroja resultados prometedores para el tratamiento de aguas residuales de la industria textil.

Este tipo de innovación tiene gran relevancia en un estado de clima semidesértico como Coahuila y en un país donde dos terceras partes del territorio se consideran áridas o semiáridas, con precipitaciones anuales menores a los 500 milímetros, de acuerdo con las Estadísticas del agua en México, edición 2016.

Estos estudiantes crearon un prototipo con potencial de patentamiento que podría convertir un material de laboratorio en un equipo de bajo costo para transferir a la industria relacionada con el tratamiento de aguas residuales y, con esto, fomentar la conservación de este líquido, elemento indispensable para la vida y desarrollo socioeconómico de la región.

Fotorreactor de bajo costo

Como resultado de sus procesos de producción, diversos tipos de industria —principalmente la textil— generan gran cantidad de aguas residuales con contaminantes como materia orgánica y diferentes tipos de colorantes. Estos residuos no pueden tratarse de forma convencional, debido a que generan contaminantes secundarios que continúan dañando el medio ambiente. Por lo tanto, estas aguas residuales requieren procesos especiales para su tratamiento como la fotocatálisis.

“La fotocatálisis es un proceso fotoquímico que transforma la energía solar en energía química, dicha transformación se hace mediante la ayuda o implementación de un fotocatalizador. Este fotocatalizador comúnmente es un semiconductor que, al activarse mediante radiaciones del espectro electromagnético, genera reacciones que son muy oxidantes, dichas reacciones destruyen los contaminantes de la muestra (de agua contaminada) que estamos analizando”, explicó Alexis Treviño Mejía, estudiante de ingeniería física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UA de C y colaborador del proyecto.

Los alumnos resaltaron la trascendencia del aspecto ecológico en el desarrollo de este prototipo, ya que en una región industrial y semidesértica como el sureste de Coahuila, el agua se convierte en un bien imprescindible.

“La importancia de hacer un reactor para fotocatálisis, en este caso, es porque sirve para degradar contaminantes que están presentes en aguas residuales y no es posible tratarlos por medios convencionales. Así que se necesita este tipo de tecnología para tratarlos y tener un gran impacto para el cuidado del medio ambiente y el agua que son muy necesarios en un estado como Coahuila que es desértico y el agua es un bien valioso”, señaló Wbaldo Valdez Rivera, estudiante de ingeniería física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UA de C y colaborador del proyecto.

Para hacer la fotocatálisis, los especialistas emplean fotorreactores. Un fotorreactor es un instrumento óptico que simula ciertas longitudes de onda del espectro electromagnético o radiación del sol. Su principal aplicación es durante el proceso de fotocatálisis, con la ayuda de alguna radiación incidente y un fotocatalizador, es decir, un elemento que estimula el proceso.

“Creamos un nuevo modelo de fotorreactor que, a diferencia de los que ya existen, este va a trabajar en cuatro longitudes de onda. Los diseños existentes, una de sus principales deficiencias, es que son monocromáticos (es decir, que reciben un solo rayo de luz), un fotocatalizador necesita más de un rango de espectro de luz para ser activado, así que no se puede caracterizar de una buena forma. Nuestro diseño consiste en un fotorreactor que tiene cuatro longitudes de onda”, indicó Treviño Mejía.

Además de trabajar con cuatro longitudes de onda, este prototipo tiene la posibilidad de medir la temperatura del fotorreactor en tiempo real, medición del flujo lumínico y pH (potencial de hidrógeno). Cuenta con una sola caja de control donde se monitorea y activan ventiladores y los diferentes tipos de longitud. Inicialmente, este fotorreactor fue desarrollado para trabajo a nivel experimental, pero tiene potencial de escalamiento a nivel industrial.

Con el financiamiento y asesoría en fotocatálisis y contaminación ambiental de la doctora Antonia Martínez Luévanos y la asesoría del doctor Raúl Ochoa Valiente, de las facultades de Ciencias Químicas y Ciencias Físico Matemáticas, respectivamente, además del apoyo de la universidad con materiales y laboratorios de ambas dependencias, los estudiantes desarrollaron este nuevo modelo de fotorreactor que, según su cotización final, tiene un costo de nueve mil 500 pesos mexicanos.

Innovación y emprendimiento

Los alumnos señalaron que el prototipo de fotorreactor consta de dos parte principales: la carcasa, que contiene el reactor y sus aditamentos; y la caja de circuitos, donde se monitorea y controla todo lo que ocurre dentro del aparato. Tiene un diseño en forma tubular para tener una configuración más óptima para trabajar con la radiación en el interior del prototipo, de acuerdo con la literatura especializada en el tema.

“Tratamos de aprovechar todo lo posible el espacio y la estética, nos apoyamos en la impresión 3D para algunos acabados, pensado para que haya una buena ventilación y no haya un aumento de la temperatura. Nuestro fotorreactor puede ser montable, en su interior tenemos aditamentos que nos ayudan con el control de temperatura, manejado desde el control de circuitos”, añadió Eduardo Castor Parra, estudiante de ingeniería física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UA de C y colaborador del proyecto.

Los desarrolladores del proyecto subrayaron que el fotorreactor cuenta con perforaciones especiales para mayor ventilación y las fuentes de radiación están colocadas de cierta forma, con la finalidad de que exista mejor flujo de radiación y en esa configuración se trabajen las cuatro longitudes de onda.

“Fue importante controlar la temperatura dentro del fotorreactor, porque comúnmente se pone una solución acuosa con algún catalizador a utilizar, esta solución no queremos que se evapore, por este motivo la temperatura debe estar controlada y no debe de alcanzar los 100 grados Celsius. Tratamos de que el diseño del reactor sea de la mejor manera para que, en caso de un error o que algo se descomponga dentro, podamos desmontar, quitar rápido y solucionarlo de la mejor manera sin que se dañe todo el reactor”, puntualizó Jorge Cruz González, colaborador del proyecto y alumno de la carrera de ingeniería física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UA de C.

Respecto a la caja de circuitos, los estudiantes añadieron que también tiene métodos de ventilación y fue desarrollada con el objetivo de ahorrar mucho espacio y pueda adaptarse en laboratorios de cualquier tamaño, al montar ciertos componentes unos sobre otros, conservando su adecuado funcionamiento.

“En este diseño, utilizamos sensores de temperatura para estar monitoreando la muestra en tiempo real, también utilizamos sensores lumínicos para saber cuánto o cómo va a ir evolucionando la muestra. En todo esto utilizamos un potenciómetro (medidor de pH) y la calibración de estos sensores con apoyo del doctor Ochoa”, detalló Iván Cuevas García, colaborador del proyecto y estudiante de la carrera de ingeniería física de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UA de C.

El prototipo maneja sensores para mantener mayor control en el fotorreactor y tener una reproducción del experimento más sencilla si fuera necesario. El aparato maneja un circuito único que controla todos los aditamentos como sensores, los conecta al software y envía la información al display (visualizador) en la caja de control.

“Estuvimos trabajando sensor por sensor, hasta que no tuvimos todas las pruebas ya empezamos a construir el circuito. Una vez que tuvimos el circuito, comenzamos a trabajar con todos los sensores a la par, para ver que no estuvieran haciendo ‘ruido’ entre ellos mismos y pudiera afectar el experimento”, puntualizó el alumno Fernando de Jesús Ramírez Cardona, de la carrera de ingeniería física de la FCFM de la UA de C y colaborador del proyecto.

Para monitorear los sensores en tiempo real en una pantalla LCD, los desarrolladores crearon un software para cada sensor y emplearon un microcontrolador para los sensores. Al tener listo este sistema, los estudiantes realizaron múltiples pruebas de funcionamiento y caídas de voltaje, hasta que los sensores y, en consecuencia, el fotorreactor funcionaran de forma óptima.

Resultados preliminares

Inicialmente, el objetivo del proyecto fue tener experimentos de fotocatálisis controlados en condiciones de laboratorio, debido a que no se puede depender de las condiciones climáticas que modifican los resultados.

Los alumnos realizaron un experimento con muestras de agua contaminada por azul de metileno a 20 partes por millón y usaron aluminato de estroncio como fotocatalizador. Realizaron pruebas de decoloración con luz solar y con el fotorreactor.

“Los resultados fueron muy favorables, al realizar el experimento en el sol encontramos que, al cabo de dos horas y media, hubo 70 por ciento de decoloración de azul de metileno. Después, al reproducir este mismo experimento en nuestro fotorreactor, encontramos que se decoloró 82 por ciento en dos horas con 10 minutos. Son resultados favorables, tenemos las gráficas de registro analizadas en un espectrofotómetro”, especificó Treviño Mejía.

Los alumnos aclararon que, aunque los porcentajes de decoloración son prometedores y se tuvo un buen indicio respecto al tratamiento efectivo de agua, hacen falta pruebas de degradación del contaminante para confirmar la efectividad de la fotocatálisis con el prototipo.

Además de las pruebas de degradación, a futuro los estudiantes contemplan mayor número de experimentos para evaluar la eficiencia del fotorreactor con diferentes soluciones y fotocatalizadores.

“Contemplamos medir las variables termodinámicas como la temperatura, pH, flujo fotónico de las muestras, en función del tiempo con la ayuda de los sensores. También optimizar la interfaz gráfica para el manejo de datos de los sensores y monitorear el funcionamiento de la caja de control durante lapsos grandes. Se planea agregar un sistema de grabado en video para ver cómo se comporta la muestra en tiempo real. Además, está en proceso el patentamiento del fotorreactor”, indicó Cuevas García.

Para finalizar, los desarrolladores enfatizaron que están muy motivados por los resultados preliminares del fotorreactor; sin embargo, están conscientes de la necesidad de más estudios que confirmen su efectividad y un buen financiamiento si desean el escalamiento y comercialización del prototipo.

“Si se quiere comenzar un emprendimiento adecuado, es totalmente necesario contar con un buen financiamiento, ya que esto permite contar con los materiales adecuados, asistencia técnica, contratación de servicios necesarios, entre otros. Esto nos dejó una experiencia muy valiosa sobre el emprendimiento científico en México, y la cooperación entre especialistas en temas multidisciplinarios como ingeniería física, ciencia de materiales, química y medio ambiente, para el diseño y fabricación del fotorreactor y la termodinámica de la adsorción y fotodegradación de contaminantes en soluciones acuosas. Esto ha sido un experimento, a mi consideración, muy importante porque nos habla de cuestiones medioambientales muy trascendentes sobre el acceso a los recursos hídricos en el futuro”, resaltó Valdez Rivera. (CONACYT)