Dise�o y optimizaci�n de un reactor tipo Batch

�para fotodegradaci�n de colorantes

Ra�l Enrique Contreras Berm�dez [email protected] Facultad de Ciencias Qu�micas Universidad Veracruzana �regi�n Poza-Rica Tuxpan Poza Rica-M�xico https://orcid.org/0000-0002-1498-5854	Alejandra Velasco P�rez [email protected] Facultad de Ciencias Qu�micas Universidad Veracruzana regi�n Orizaba-C�rdoba Orizaba-M�xico https://orcid.org/0009-0006-5242-7833
Tania Garc�a Herrera [email protected] Facultad de Ciencias Qu�micas Universidad Veracruzana regi�n Orizaba-C�rdoba Orizaba-M�xico http://orcid.org/0000-0002-7429-5513	Heriberto Esteban Benito [email protected] CIIEMAD- Instituto Polit�cnico Nacional CDMX - M�xico https://orcid.org/0000-0003-3656-4193
Lizeth R�os Velasco [email protected] Facultad de Ciencias Qu�micas Universidad Veracruzana �regi�n Poza-Rica Tuxpan Poza Rica-M�xico https://orcid.org/0000-0002-6141-0404

RESUMEN

Se llevo a cabo una reacci�n fotocatal�tica para degradar un colorante comercial y obtener los modelos matem�ticos para el dise�o de un reactor tipo Batch que opere a condiciones ambientales. La reacci�n se realiz� con una soluci�n de 30 ppm de azul de mezclilla y 0.9 mg de catalizador TiO₂, a 6 h de reacci�n se obtuvo el 95% de degradaci�n. La constante cin�tica de reacci�n obtenida a partir del perfil de degradaci�n fue de �y tiempo de reacci�n de 389 min, con estos par�metros se determinaron las medidas para la construcci�n de un reactor optimizado y que proporcione alto porcentaje de conversi�n para estudios futuros de degradaci�n de contaminantes por fotocat�lisis.

Palabras clave: reactores; colorantes; fotocat�lisis; modelos matem�ticos.

�

Design and optimization of a Batch reactor for

photodegradation of dyes

ABSTRACT

A photocatalytic reaction was carried out to degrade a commercial dye and obtain mathematical models for the design of a Batch type reactor that operates at ambient conditions. The reaction was carried out with a 30 ppm solution of denim blue and 0.9 mg of TiO₂ catalyst. After 6 h of reaction, 95% degradation was obtained. The kinetic reaction constant obtained from the degradation profile was 7.72 x 10^-3 min^-1 and a reaction time of 389 min, with these parameters the measurements for the construction of a optimized reactor that provides a high percentage of conversion for future studies of pollutant degradation by photocatalysis.

Keywords: reactors; dyes; photocatalysis; mathematical models.

Art�culo recibido 15 febrero 2023

Aceptado para publicaci�n: 15 marzo 2023

INTRODUCCI�N

Los colorantes son compuestos con estructuras qu�micas complejas debido a que las caracter�sticas f�sicas, qu�micas, peso molecular, formulaciones, pureza, etc. depende del uso a los cuales est� destinado como, por ejemplo; en la industria qu�mica, petroqu�mica, alimenticia, textil, farmac�utica, cosm�tica, fotograf�a, pl�sticos, fabricaci�n del vidr�o o cer�mica, entre otras aplicaciones. ���

Los colorantes de tipo Azo (-N=N-) tiene gran versatilidad por ser los m�s f�ciles de sintetizar y a este grupo pertenecen casi la mitad de los colorantes sint�ticos. Cualquier amina arom�tica primaria es capaz de generar un azo-compuesto, por lo cual resultar�a dif�cil clasificarlos en funci�n a su composici�n qu�mica ya que a mayor n�mero de enlaces azoicos mayor es su peso molecular y por consiguiente su complejidad qu�mica. Este grupo azo representan m�s del 80% de los colorantes que se producen a nivel mundial� (Ali et al., 2022). En las industrias donde se utilizan colorantes en algunas de las etapas se generan por ineficiencia de te�ido y/o fijaci�n altos vol�menes de efluentes con color que al no ser tratados adecuadamente provocan severos da�os a los cuerpos de aguas superficiales. Adem�s, son la principal causa de efectos carcinog�nicos y mutag�nicos en la fauna acu�tica que a su vez provocan problemas de salud p�blica. Por otra parte, estudios toxicol�gicos han demostrado que algunos colorantes pueden ser altamente t�xicos y en algunos casos provocar hasta la muerte del ser humano (Gallego & Rubio, 2022).

La problem�tica ambiental por este tipo de contaminantes se atribuye que son compuestos sint�ticos de muy baja biodegradabilidad y alta permanencia en el ambiente, esto conllev� a desarrollar diferentes estudios para tratar contaminantes con alto peso molecular. Diaz, Vera, & Vega, 2020 emplearon el proceso Fenton para degradar el colorante rojo de alizarina con resultados prometedores en medio �cido. El uso de carb�n activo por sus propiedades fisicoqu�micas es otra alternativa viable para remover contaminantes t�xicos (Caicedo, Mahecha, & Navarrete, 2022; Gallego & Rubio, 2022). Los hongos tambi�n se han aplicado para la degradaci�n de colorantes (Caicedo, Copete, Correa, Mora, & Yepes, 2022). Tambi�n el uso de catalizadores de TiO₂ para la degradaci�n decolorantes (Contreras et al., 2009). Sin embargo, un factor importante a considerar es el sistema de reacci�n donde llevarlas a cabo. En la presente investigaci�n se realiz� el dise�o de un reactor tipo Batch a partir de sus modelos matem�ticos. (Fogler, 2008; Levenspiel, 2006; Santamaria, J., Herguido, J., Men�ndez, M.A., Monz�n, 2002)

METODOLOG�A

La evaluaci�n del desempe�o del reactor tipo Batch se realiz� en la degradaci�n de una soluci�n concentrada de 30 ppm de azul de mezclilla (marca Caballito). Se utiliz� una masa de catalizador de 0.9 mg de di�xido de titanio (TiO₂, Degussa P25) por litro de soluci�n coloreada. La mezcla se mantuvo en agitaci�n constante durante 6 h de reacci�n en presencia de una l�mpara de luz ultravioleta (25 �W/cm², marca Viqua) a presi�n y temperatura atmosf�rica. El seguimiento del perfil de degradaci�n se realiz� por muestreo a intervalos de 60 min de reacci�n y analizados en un espectrofot�metro UV-Vis marca Cary, calibrado a una longitud de onda de 590 nm.

Cin�tica de degradaci�n

La degradaci�n de 30 ppm del colorante comercial azul de mezclilla fue calculada en t�rminos de porcentaje de degradaci�n con la ecuaci�n 1, donde C_a0 (mg/L) es la concentraci�n inicial del colorante, C_a (mg/L) es la concentraci�n del colorante a intervalos de tiempo, los modelos cin�ticos de orden cero (n = 0), primer orden (n = 1) y segundo orden (n = 2) con las ecuaciones 2, 3 y 4, donde k es la constante cin�tica de velocidad y sus unidades de medida se muestran en la tabla 1. El periodo de semirreacci�n (t_1/2) que corresponde al tiempo necesario para que desaparezca la mitad del reactivo bajo estudio se expresa en minutos y fue determinado con las ecuaciones 5, 6 y 7. As� como tambi�n, el tiempo de reacci�n (t_r) se calcul� con la ecuaci�n 8, este valor se utiliz� para determinar el tiempo de ciclo de reacci�n (t_c) que permiti� determinar las caracter�sticas del dise�o del reactor tipo Batch. (Fogler, 2008; Levenspiel, 2006)

Dise�o del reactor tipo Batch.

En un reactor tipo Batch o reactor intermitente, el balance de materia en este tipo de reactores se asume que durante la reacci�n no entra ni sale fluido del sistema, por lo tanto, �(Fogler, 2008; Levenspiel, 2006)

o bien:

En t�rminos de la ecuaci�n 9, se obtiene

Al sustituir ambos t�rminos en la ecuaci�n 9, se obtuvo la ecuaci�n 10. Donde la velocidad de reacci�n basada en el volumen del fluido �se expresa en , el volumen del fluido �en litros, diferencia del tiempo �en minutos, diferencia del n�mero de moles correspondientes a la acumulaci�n en un determinado tiempo �en moles.�

Resolviendo la ecuaci�n 10 por integraci�n se obtuvo la ecuaci�n 11, expresada en t�rminos cin�ticos de concentraci�n. Con esta ecuaci�n se calcula el tiempo de reacci�n con base a la conversi�n final de degradaci�n del colorante. Es importante recordar que para los reactores discontinuos se opera por ciclos, es por ello que al �expresada en horas se le suma el tiempo muerto () por lo tanto se tiene que el tiempo de ciclo �

RESULTADOS Y DISCUSI�N

En la figura 1 se muestra el perfil de degradaci�n del colorante comercial azul de mezclilla, a 360 min de reacci�n se obtuvo una degradaci�n del 95%, este resultado es congruente con varios estudios reportados sobre degradaci�n de colorantes azoicos en presencia de TiO₂, tambi�n se observ� que al aumentar la masa del catalizador se incrementaba el porcentaje de remoci�n del contaminante debido a una mayor absorci�n de fotones sobre las part�culas del s�lido. Sin embargo, si se supera el l�mite, hay una disminuci�n considerable del porcentaje de degradaci�n debido al efecto pantalla entre las part�culas del TiO₂ (Espinoza et al., 2022; Leguizam�n et al., 2010).

Con este experimento fue posible desarrollar los modelos matem�ticos para el dise�o de del reactor y evaluar su desempe�o en reacciones fotocatal�ticas. Los modelos cin�ticos de la degradaci�n del azul de mezclilla se muestran en la figura 2, donde se puede observar que el grafico B) corresponde a una reacci�n de pseudo primer orden, con coeficiente de correlaci�n (R²) del 98.5% (Tabla 1), este modelo cin�tico es caracter�stico de las reacciones fotocatal�ticas (Sekaran, Dhandapani, Alagesan, & Balaji, 2022).

Figura 1.

Porcentaje de degradaci�n de 30 ppm de azul de mezclilla en presencia de 0.45 mg de catalizador.

Figura 2.

Cin�tica qu�mica de orden: a) n = 0, b) n = 1, c) n = 2

En la tabla 1 se resumen los datos obtenidos para el ajuste de la degradaci�n del colorante azul de mezclilla. Los valores de las constantes de velocidad de reacci�n (k) fueron obtenidos por el m�todo de integraci�n de acuerdo al orden de reacci�n, para el caso bajo estudio, el valor de k fue de pseudo primer orden, con un valor de 7.72 x 10^-3 min^-1 valor que se utiliz� en la ecuaci�n 8 para calcular el tiempo de reacci�n. Para alcanzar el 95% de degradaci�n del colorante se requiere de un tiempo de 389 min en el rector tipo Batch. Sin embargo, en cada ciclo de reacci�n hay tiempo muerto (t_m) que corresponde al antes y despu�s del del arranque del reactor, este tiempo es de 30 min. Por lo tanto, el tiempo de ciclo (t_c) es de 419 min por lote de carga. ��

Tabla 1.

Resultados de la evaluaci�n del estudio cin�tico de la degradaci�n azul de mezclilla.

Par�metro	n	Regresi�n lineal	R^2	k	t1/2 (min)
Azul de mezclilla	0	Y = 7.94 + 0.07x	0.788	0.11970 mg/l*min	125.314
	1	Y = 0.13 + 0.00766x	0.985	0.00772 min^-1	89.826
	2	Y = 0.08 + 0.00153x	0.798	0.00077 l/mg*min	43.390

Fuente: elaboraci�n propia.

n = Orden de reacci�n

R² = Correlaci�n lineal.

K = Constante de velocidad de reacci�n.

T_1/2 = Tiempo medio de reacci�n.

Con el tiempo de ciclo (t_c) calculado experimentalmente, se determin� el di�metro y altura del reactor, pero primero fue necesario determinar el volumen de reacci�n, �(l) con la ecuaci�n 12, donde:� �(mg/l) es el flujo de la soluci�n bajo estudio y �(ppm) concentraci�n de la soluci�n de azul de mezclilla al final de la reacci�n.

�

Al resolver la ecuaci�n, donde �es igual a 5 mg/l, partiendo que son 30 mg de colorante degradado a un lapso de 6 h de reacci�n, se obtuvo una concentraci�n final de 1.491 ppm que corresponde al 95% de degradaci�n (ver figura 1) y cuyo valor t_c es de 419 min (6.983 h), entonces el valor del volumen de reacci�n Vr es de 23 l. Por otra parte, el di�metro, D (m) y la altura, H (m) del reactor cil�ndrico tiene una raz�n de 1.� Al sustituir los valores en la ecuaci�n 13, el di�metro calculado es de 0.31 m y altura de 0.413 m, considerando que la mezcla representa el 75% del volumen del tanque (figura 3)

Figura 3. Dise�o de un reactor fotocatal�tico tipo Batch.

Fuente: elaboraci�n propia.

CONCLUSIONES

El catalizador TiO₂ proporci�n alto porcentaje de degradaci�n del colorante azul de mezclilla a 6 h de reacci�n. Despu�s de este tiempo el catalizador perdi� actividad catal�tica debido a la desactivaci�n de los centros activos, pero fue suficiente para determinar las ecuaciones de dise�o para el reactor tipo Batch y las condiciones �ptimas de operaci�n.

LISTA DE REFERENCIAS

Ali, S. S., Al-Tohamy, R., Mahmoud, Y. A. G., Kornaros, M., Sun, S., & Sun, J. (2022). Recent advances in the life cycle assessment of biodiesel production linked to azo dye degradation using yeast symbionts of termite guts: A critical review. Energy Reports, 8, 7557�7581. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.05.240

Caicedo, C., Copete, L. S., Correa, G. A., Mora, A. L., & Yepes, M. (2022). Decolorization of colored wastewaters with Turquoise Blue dye by the native Colombian fungus Leptosphaerulina sp. - Influence of operational parameters. Dyna, 89(221), 121�131. https://doi.org/10.15446/dyna.v89n221.100185

Caicedo, O., Mahecha, J. A., & Navarrete, L. F. (2022). Remoci�n de compuestos fen�licos totales de aguas del beneficio de caf� sobre una matriz de origen natural. Biotecnolog�a En El Sector Agropecuario y Agroindustrial, 20(2), 18�28. Retrieved from http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1692-35612022000200018&lng=en&nrm=iso&tlng=es

Contreras, E, Garc�a, R, Sandoval, G, Burgue�o, G, Garc�a, A, Moctezuma, E, Perea, D. (2009). Degradaci�n fotocatal�tica de azul de metileno en aguas residuales utilizando TiO 2 como catalizador. Revista Latinoamericana de Recursos Naturales, 5(2), 86�91.

Diaz Uribe, C., Vera, K., & Vega, D. (2020). Discoloration of alizarin red on thin films of Fe (III)-tetracarboxyphenyl porphyrin deposited on silicon oxide. ITECKNE, 17(1), 49�55. https://doi.org/10.15332/iteckne.v17i1.2429

Espinoza-Montero, P., Paspuel-Pupiales, L., Fern�ndez, L., & Guam�n, W. (2022). Degradaci�n fotocatal�tica de azul de metileno utilizando TiO₂ impregnado en paredes de botellas de vidrio y de polietileno. InfoANAL�TICA, 10(1), 171�191. https://doi.org/10.26807/ia.v10i1.219

Fogler, H. S. (2008). Elementos de ingenier�a de las reacciones qu�micas (4th ed.). M�xico.

Gallego, C., & Rubio, A. (2022). Remoci�n de colorantes en aguas procedentes de la industria textil mediante el uso de biocarb�n. Afinidad. Journal of Chemical Engineering Theoretical and Applied Chemistry, 79(596), 98�107. https://doi.org/10.55815/401287

Leguizam�n, J., Qui�ones, C., Espinosa, H., & Sarria, V. (2010). Fotosensibilizaci�n de TiO2 con un colorante comercial para fotodegradaci�n de contaminantes org�nicos en agua. Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgaci�n Cient�fica, 13(2), 185�190. https://doi.org/10.31910/rudca.v13.n2.2010.746

Levenspiel, O. (2006). Ingenier�a de las reacciones qu�micas (3a ed.). M�xico.

Santamaria, J., Herguido, J., Men�ndez, M.A., Monz�n, A. (2002). Ingenier�a de reactores. Madrid.

Sekaran, C., Dhandapani, B., Alagesan, T., & Balaji, G. (2022). Enhanced photocatalytic degradation kinetics of azo-dyes by novel Ni2+ and Ag2+ doped ZnO nanocatalysts. Applied Surface Science Advances, 12(July), 100333. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2022.100333