La ozonización en medio alcalino es un proceso de oxidación avanzada que aprovecha la descomposición del ozono para incrementar la generación de radicales hidroxilo (●OH), especies altamente reactivas capaces de degradar numerosos contaminantes orgánicos. En agua, un pH mayor que 7 se considera alcalino, y el aumento del pH favorece la descomposición del ozono disuelto y, por tanto, la formación de radicales hidroxilo.
El proceso puede realizarse mediante ozonización no catalítica o catalítica. En el primer caso, la ozonización se realiza en medio alcalino para aumentar la velocidad de descomposición del ozono, incrementando así la velocidad de generación de radicales hidroxilo. En el segundo caso, se añade un catalizador que favorece la descomposición del ozono disuelto y la generación de radicales hidroxilo.
Qué es la ozonización en medio alcalino
La ozonización se incluye dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs), que se definen como “procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos del medio”. La molécula de ozono es una forma alotrópica triatómica del oxígeno termodinámicamente inestable, descomponiéndose espontáneamente a oxígeno.
Es un oxidante fuerte, segundo después de los radicales hidroxilo libres, capaz de participar en numerosas reacciones químicas con sustancias inorgánicas y orgánicas. La composición del ozono se basa en tres átomos de oxígeno, y el cual se obtiene a partir de exponer a una corriente de oxígeno (O2) a una elevada diferencia de potencia y frecuencia.
Cabe destacar que una de las características más importantes del ozono es su capacidad de oxidación (2,07 V), siendo superada únicamente por el flúor. La razón del poder oxidante del ozono radica en su inestabilidad.
La fuerza de atracción entre sus enlaces covalentes es mínima, con lo cual, su fragilidad como molécula es muy alta. Esta fragilidad permite al ozono transmitir sus átomos, tras la rotura del enlace covalente, a otros compuestos, produciendo la oxidación de esta sustancia.
Qué significa que el medio sea alcalino
La sigla significa ‘Potencial de Hidrógeno‘ e indica la concentración de iones Hidronio [H3O]+ presentes en determinadas disoluciones, siendo utilizado como una medida de acidez o basicidad de una disolución. Si el disolvente es agua, la escala de pH varía de 0 a 14 y a 25 °C se considera:
| Condición | Valor de pH |
|---|---|
| Ácido | pH menor que 7 |
| Neutro | pH = 7 |
| Alcalino | pH mayor que 7 |
En los estudios de ozonización en medio alcalino se utilizan con frecuencia valores de pH superiores a 7, como pH 8, pH 10 o pH 11. El pH influye en la estabilidad del ozono y en la generación de radicales hidroxilo (·OH).
El Ozono no varía ni la alcalinidad ni el pH del agua, aunque la oxidación de algún contaminante por efectos del Ozono podría alterarlo sensiblemente. Hay que tener en cuenta que la cantidad de Ozono disminuye rápidamente si el pH del medio es elevado y cuando las temperaturas son altas.
Por qué el pH alcalino modifica el proceso
Las reacciones con ozono se pueden producir por dos mecanismos: las reacciones directas son reacciones son muy selectivas, atacando a dobles enlaces y algunos grupos funcionales; y las reacciones indirectas son consecuencia de la acción de los radicales hidroxilos resultantes de la descomposición del ozono en el agua.
En medio alcalino, el ozono se descompone con mayor rapidez. Esta descomposición favorece la formación de radicales hidroxilo, que tienen una reactividad muy elevada y pueden atacar numerosos contaminantes de forma menos selectiva que el ozono molecular.
La generación de radicales hidroxilo puede ser aumentada con la adición de peróxido de hidrógeno (H2O2), ampliando la concentración de los mismos en el agua. En condiciones propicias -pH neutro a alcalino, presencia de catalizadores o H₂O₂, dosis altas o etapas de mezcla intensiva-, la descomposición del ozono genera radicales ·OH que son no selectivos y atacan una amplia gama de moléculas orgánicas.
Sin embargo, un pH elevado también puede reducir rápidamente la concentración de ozono disponible. Por ello, el objetivo no consiste simplemente en elevar el pH al máximo, sino en encontrar una condición en la que la formación de radicales hidroxilo compense la pérdida acelerada de ozono molecular.
Mecanismo de oxidación: vía directa e indirecta
Oxidación directa por ozono
El ozono puede reaccionar directamente con determinados grupos funcionales: dobles enlaces, fenoles, sulfuros, aminas secundarias/terciarias y compuestos con altas constantes de reacción hacia O₃. La reacción directa es selectiva y rápida con ciertas estructuras químicas.
Esta vía resulta especialmente importante para compuestos que contienen dobles enlaces, grupos fenólicos, aminas y otras estructuras susceptibles a la reacción molecular con el ozono. En el tratamiento de aguas residuales de estaciones de servicio se identificaron compuestos orgánicos que poseen dobles enlaces, compuestos aromáticos, fenólicos y aminas.
Oxidación indirecta mediante radicales hidroxilo
La oxidación indirecta se produce cuando el ozono se descompone en el agua y origina radicales hidroxilo. Estos radicales son capaces de atacar una amplia variedad de moléculas orgánicas, incluidos compuestos que reaccionan lentamente con el ozono molecular.
Los procesos AOP basados en ozono (O₃/H₂O₂, O₃/UV, O₃/catalizadores) buscan potenciar la formación de ·OH para lograr mineralización parcial o total. El COD muestra la cantidad de materia orgánica transformada en CO2 en el proceso de mineralización.
Mientras que la DQO es el parámetro más general para el seguimiento de mineralización, ya que su método de medición no está asociado estrictamente a la cuantificación de la materia orgánica, sino que también puede sufrir interferencias por la presencia de sustancias inorgánicas presentes en la muestra.
Acción desinfectante
El ozono altera membranas celulares, peróxidos de lípidos y componentes intracelulares; su acción es rápida frente a bacterias, virus y protozoos. La desinfección mediante ozono no se limita a dañar la pared celular.
También procede contra los ácidos nucléicos ADN y ARN que conforman el microorganismo. Esto causa la despolimerización, algo esencial para la eliminación de todo virus. Su mayor ventaja es la incapacidad de los organismos para inmunizarse frente al ozono.
Influencia del pH en la eficacia del tratamiento
El pH influye en la estabilidad del ozono, en la velocidad de generación de radicales hidroxilo, en la especiación de los contaminantes y en la reactividad de los componentes de la matriz. Por esta razón, el mismo tratamiento puede mostrar resultados distintos en agua destilada, agua simulada y agua residual real.
La eficacia depende de CT (concentración × tiempo), temperatura, pH y materia orgánica presente. También depende de la cantidad de ozono transferida al agua, de la mezcla, de la presencia de sólidos suspendidos y de la composición química del efluente.
| Factor | Influencia en la ozonización alcalina |
|---|---|
| pH | El medio alcalino acelera la descomposición del ozono y favorece la formación de radicales ·OH. |
| Temperatura | La estabilidad del ozono disminuye con la temperatura. |
| Materia orgánica | Consume ozono y radicales hidroxilo, reduciendo la disponibilidad de oxidantes para los contaminantes objetivo. |
| Sólidos suspendidos | Influyen en la absorción de ozono y en la difusión; alto contenido reduce eficacia de oxidación de fase disuelta. |
| Carbonatos y nitratos | Pueden secuestrar radicales ●OH y reducir la eficiencia del proceso. |
| Bromuro | Puede favorecer la formación de bromato durante la ozonización. |
| Tiempo de contacto | Un tiempo mayor puede aumentar la degradación, aunque también incrementa el consumo energético y el riesgo de subproductos. |
Estudio de la degradación de metomilo en medio alcalino
En Arequipa se ha incrementado el uso de plaguicidas en especial en el Valle de Majes, debido a la naturaleza tóxica de los plaguicidas que representan serios riesgos para la salud, el ambiente y son una fuente de contaminación difusa del recurso hídrico por el inadecuado tratamiento y manejo de estos residuos.
En la actualidad existen pocos o nulos tratamientos relacionados a la degradación de plaguicidas en agua. Entre las tecnologías limpias y emergentes se encuentran los Procesos Avanzados de Oxidación, una de ellas el Proceso de Ozonización, la ventaja de estos procesos es que no dejan residuos tóxicos, ya que se basan en potenciar los procesos abióticos naturales.
El presente trabajo de investigación, estudió la degradación del metomilo por el proceso de ozonización en medio alcalino en agua destilada, simulada y real. Se utilizó un generador de ozono que requiere de oxígeno proveniente de un cilindro.
El flujo del oxidante se dirige hacia un reactor en columna de vidrio que contiene la muestra a tratar, en este el ozono se distribuye de manera uniforme mediante un difusor de vidrio poroso, luego se dirige hacia otro reactor (trampa de ozono) que contiene una solución de yoduro de potasio al 2%.
Variables experimentales
Se tuvo en cuenta las variables como el pH (8 y 11), concentración de ozono (0.07 mg/L) y tiempo de contacto (3 y 10 min), evaluando la degradación por cromatografía líquida acoplado a un detector de masas (LC-MS/MS).
| Variable | Condiciones evaluadas |
|---|---|
| pH | 8 y 11 |
| Concentración de ozono | 0.07 mg/L |
| Tiempo de contacto | 3 y 10 min |
| Contaminante | Metomilo |
| Método analítico | Cromatografía líquida acoplado a un detector de masas (LC-MS/MS) |
Resultados en agua destilada
La mayor degradación de metomilo se obtuvo en agua destilada en un 96%, bajo las condiciones de tiempo de 10min y pH 11, determinando estas las condiciones óptimas para aplicar la degradación de metomilo en agua simulada y real.
Este resultado muestra que el aumento del pH y del tiempo de contacto puede favorecer la degradación de un plaguicida cuando la matriz contiene pocos componentes capaces de consumir ozono o secuestrar radicales hidroxilo.
Resultados en agua simulada
En agua simulada, no se obtuvo una degradación de metomilo, debido al efecto de los aniones como los carbonatos y nitratos, que redujeron la eficiencia del proceso de ozonización a pH 11, debido a su capacidad de secuestrar radicales ●OH.
Este resultado evidencia que el pH alcalino por sí solo no garantiza una elevada degradación. La composición iónica del agua puede modificar sustancialmente la disponibilidad de radicales hidroxilo y limitar la oxidación del contaminante.
Resultados en agua real
En agua real se logró degradar un 40% de metomilo, ambas en las condiciones óptimas. La diferencia entre el agua destilada y el agua real se relaciona con la mayor complejidad de la matriz real, que puede contener materia orgánica, sales, sólidos y especies inorgánicas consumidoras de oxidantes.
En el presente trabajo se ha demostrado que el Proceso de Ozonización es efectiva para degradar el metomilo. Estos resultados podrían ayudar a solucionar los problemas de plaguicidas presentes en aguas contaminadas en la región de Arequipa y en el Perú, así disminuir el impacto ambiental que representa hoy en día el vertimiento directo de aguas residuales, además podría prevenir la presencia de enfermedades en la población.
Ozonización alcalina catalítica
La ozonización se puede efectuar de forma no catalítica o catalítica. En el primer caso, la ozonización de realiza en medio alcalino para aumentar la velocidad de descomposición del ozono, incrementando así la velocidad de generación de radicales hidroxilo.
En el segundo caso, la actividad catalítica está directamente relacionada con la capacidad de descomposición de ozono disuelto y la consiguiente generación de radicales hidroxilo, aunque el mecanismo implicado en la ozonización catalítica es aún motivo de discusión.
Los principales catalizadores que se utilizan en ozonización son los óxidos de metales de transición (manganeso, titanio, aluminio), metales u óxidos soportados (cobre u óxido de titanio sobre alúmina), carbón activo (GAC) y sistemas mesoporosos, como los silicatos MCM o SBA.
Ejemplo con magnetita
En este estudio se investigó la efectividad del proceso de ozonización catalítica heterogénea (POCH) en agua residual proveniente de una estación de servicio, con el uso de un catalizador magnético (magnetita) para la degradación de compuestos orgánicos que poseen dobles enlaces (alquenos), compuestos aromáticos, fenólicos y aminas, los cuales se identificaron en el agua residual mediante espectroscopia de masas.
Se evaluó la influencia del pH, la cantidad de catalizador y el tiempo de reacción. Se identificó por medio de las pruebas FTIR realizadas a la magnetita que las propiedades catalíticas se mantienen invariables durante el proceso de ozonización catalítica heterogénea.
El POCH obtuvo una disminución de la carga orgánica del efluente de COD (60.92%) y de DQO (74.76%) a un pH 10, con una cantidad de magnetita de 0.3 g/L y un tiempo de reacción de 40 minutos.
Por otra parte, en tiempo de reacción de 40 minutos a un pH 3 y cantidad de magnetita 0.1 g/L la disminución de la turbiedad fue de 96.98%. De igual manera se determinó para un pH de 3, con una cantidad de magnetita de 0.3 g/L y un tiempo de 40 minutos una disminución de la concentración de hidrocarburos totales, tensoactivos, grasas aceites las cuales presentaron una disminución en su carga de 19.74%, 56.67% y 15.50%, respectivamente.
Al concluir el proceso se identificaron algunos productos de la oxidación de los alquenos como: hexadecanos, octadecanos, dodecanos y acetatos. Finalmente, la ozonización catalítica heterogénea es un método técnicamente eficaz para el tratamiento de agua residual proveniente de estaciones de servicio.
Configuración experimental de un sistema de ozonización
El método más ampliamente utilizado para la generación de ozono para el tratamiento de aguas son las descargas en corona, o también conocido como “descargas eléctricas silenciosas”. Consiste en pasar oxígeno en forma gaseosa a través de dos electrodos separados por un dieléctrico y un hueco de descargas.
Se aplica un voltaje a los electrodos, causando que un electrón fluya a través del hueco de descargas. Esos electrones suministran la energía para disociar las moléculas de oxígeno, produciéndose así la formación de ozono.
Se realiza una descarga de energía de entre 6 y 20 KV para que se formen radicales libres de oxígeno, que en contacto con una molécula de oxígeno, crea ozono. Precisamente al ser inestable, el ozono debe realizarse en el propio lugar donde va a ser aplicado.
En un sistema de tratamiento de agua, el gas ozonizado se introduce en el reactor mediante un difusor poroso o un sistema de inyección. El contacto entre las burbujas y el agua debe favorecer una transferencia suficiente de ozono antes de que este se descomponga o abandone el sistema.
La salida superior de este reactor se conectó a una trampa de KI. Se utilizó un diseño experimental 23 con 8 ensayos cada uno con una replica para un total de 16 pruebas, las variables de control son la cantidad de catalizador, el tiempo y el pH y las variables de respuesta fueron la turbiedad, COD y DQO.
Componentes principales
Los sistemas de ozonización de agua están formados por cinco unidades básicas. Aunque no es esencial, habitualmente, se incluye un desinfectante adicional al ozono para que el sistema de distribución cuente con un residual más tiempo.
- Fuente de oxígeno o aire.
- Generador de ozono.
- Reactor de contacto.
- Sistema de difusión o inyección.
- Tratamiento del gas de salida.
El sistema de inyección es habitual en Europa y Norteamérica. Produce una fuerza de presión negativa que introduce el ozono en el flujo de agua.
Se aumenta la presión del flujo total para incrementar el vacío donde será inyectado el ozono. Tras su inyección, se une al flujo y se crea una mezcla que favorece la dispersión del ozono.
Preparación del agua antes de la ozonización
Las aguas residuales industriales presentan una gran cantidad de contaminantes que tienen una acción muy compleja sobre el medio ambiente, afectando el desarrollo natural de los ecosistemas. La presencia de sólidos, grasas, aceites, materia orgánica y compuestos inorgánicos puede disminuir la eficiencia del contacto entre el ozono y los contaminantes disueltos.
En las estaciones de servicio, se producen vertimientos con residuos contienen una mezcla compleja de aceite quemado, lodos, desechos de aceites, aguas con tensoactivos y combustibles. Actualmente en el Valle del Cauca se realizan tratamientos convencionales para el manejo de estas aguas, sin embargo, la efectividad de estos procesos en los últimos años no logra cumplir los limites máximos permitidos para los sectores productivos establecidos en la resolución 0631 del 2015 expedida por la autoridad ambiental, que cada vez son más rigurosas.
Debido al impacto de los contaminantes en el ambiente y al aumento de la demanda hidrica tanto humana como industrial que ha generado mayores caudales de agua residual a tratar. Las investigaciones realizadas en los procesos de oxidación avanzada (POA’s), han mostrado como principales ventajas, la transformación química parcial del contaminante sin generar lodos o desechos que requieran tratamientos posteriores, son efectivos para componentes que resisten otros métodos de tratamiento en condiciones donde los sistemas convencionales no son factibles.
En el caso particular de las tintas flexográficas, los resultados mostraron que es necesario realizar un pretratamiento como primer paso, que en este caso particular fue el empleo de un coagulante, el policloruro de aluminio, para posteriormente aplicar el proceso electroquímico y finalmente como etapa de pulimiento se utilizo un tratamiento via Ozono.
Aplicación en aguas residuales de estaciones de servicio
Las aguas residuales de las estaciones de servicio contienen una mezcla de hidrocarburos, aceites, grasas, tensoactivos y otros compuestos orgánicos. En un estudio de este tipo de efluente, el agua residual inicial presentó los siguientes valores:
| Característica | Agua Residual | Resolución 0631 del 2015 |
|---|---|---|
| DQO | 430 mg/L | 180 |
| COD | 349.4 mg/L | 250 |
| Turbiedad | 43.7 NTU | Analisis y reporte |
| pH | 7.14 | 6 - 9 |
| Cloruro | 34 mg/L | 250 |
| Sulfatos | 64 mg/L | 250 |
| Grasas y aceites | 12.9 mg/L | 15 |
| Hidrocarburos totales | 10.3 mg/L | 10 |
| Tensoactivos | 0.10 mg SAAM/L | Analisis y reporte |
En este estudio se investigó la efectividad del proceso de ozonización catalítica heterogénea (POCH) en agua residual proveniente de una estación de servicio, con el uso de un catalizador magnético (magnetita) para la degradación de compuestos orgánicos que poseen dobles enlaces (alquenos), compuestos aromáticos, fenólicos y aminas.
La ozonización, es un proceso de oxidación avanzada que contribuye a la degradación de contaminantes orgánicos y desodorización de los efluentes, debido al alto poder oxidante del ozono (2.07 V) presente en las reacciones directas e indirectas por medio del radical hidroxilo (2.8 V).
Sin embargo, las técnicas de oxidación avanzada que involucran ozono son en la actualidad objeto de estudio y en mayor medida cuando se utilizan catalizadores heterogéneos que favorecen los rendimientos del proceso y aporten beneficios como adsorción de cationes metálicos y sustancias coloidales.
Resultados según pH, tiempo y catalizador
En la Tabla 4 se observa los resultados obtenidos para cada variable de respuesta estudiada. Los ensayos compararon pH 3 y pH 10, tiempos de 20 y 40 minutos, y cantidades de magnetita de 0.1 y 0.3 g/L.
| pH | Tiempo | Magnetita | COD promedio | DQO promedio | Turbiedad promedio |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 20 min | 0.1 g/L | 208.20 mg/L | 181.89 mg/L | 2.46 NTU |
| 3 | 20 min | 0.3 g/L | 181.30 mg/L | 144.04 mg/L | 2.31 NTU |
| 10 | 20 min | 0.1 g/L | 197.97 mg/L | 149.90 mg/L | 2.42 NTU |
| 10 | 20 min | 0.3 g/L | 175.32 mg/L | 133.12 mg/L | 4.02 NTU |
| 3 | 40 min | 0.1 g/L | 174.67 mg/L | 135.03 mg/L | 1.32 NTU |
| 3 | 40 min | 0.3 g/L | 162.72 mg/L | 126.84 mg/L | 2.52 NTU |
| 10 | 40 min | 0.1 g/L | 144.88 mg/L | 112.78 mg/L | 7.79 NTU |
| 10 | 40 min | 0.3 g/L | 136.53 mg/L | 108.55 mg/L | 17.80 NTU |
En la Figura 2 se puede observar que para un pH 3 y una concentración de catalizador de 0.1 y 0.3 mg/L el porcentaje de disminución de COD para un tiempo de 20 minutos fue del 40% y 48% respectivamente.
Mientras que para un tiempo de 40 minutos el porcentaje de diminución aumentó a 50% y 53%, algo parecido ocurre en la Figura 3 donde el porcentaje de reducción de la DQO para las mismas condiciones de pH y cantidad de magnetita en los tiempos de 20 y 40 minutos fue del 58%, 67% y 69%, 71% respectivamente.
En la Figura 4 se muestra que la variable de mayor influencia es el tiempo y en la Figura 2 se evidencia que la tendencia de disminución de COD fue creciente con este y con el aumento del pH inicial, sin embargo, el aumento en la disminución fue tan solo del 10% y 5%, lo cual puede deberse a que pH acido ocurre una oxidación directa de compuestos de rápida mineralización en presencia del O3 y al aumentar el tiempo de tratamiento, disminuye la disponibilidad de estructuras fácilmente oxidables, en este punto el mecanismo de reacción directa no cumple la función de romper los enlaces de los contaminantes recalcitrantes.
Control de la ozonización mediante ORP
ORP (potencial redox) es un indicador electroquímico que refleja la capacidad de una solución para aceptar o ceder electrones; valores expresados en mV. Se usa como medición operativa para monitorizar condiciones oxidantes.
ORP es una magnitud integral y no específica: incluye efectos de múltiples especies redox presentes (Cl₂, ClO₂, O₃, H₂O₂, radicales, etc.). La correlación entre ORP y concentración de ozono disuelto (O₃(aq)) no es universal; depende de pH, temperatura, DQO, contenido de haluros, y de la matriz.
ORP indica estado oxidante general; es útil para control de procesos (setpoints), pero no sustituye mediciones puntuales de O₃ disuelto o H₂O₂ cuando se requiere precisión. Usar ORP cuando la matriz del agua es relativamente estable y se conoce la correlación empírica entre ORP y eficacia.
- ORP es valioso para disparar alarmas, ajustes de dosificación de ozono y control en tiempo real.
- No usar ORP como único indicador cuando la presencia de haluros, picos de carga, variaciones de pH, temperatura o DQO alteran la relación ORP ↔ O₃.
- Complementar con medición directa de ozono disuelto, dosis de alimentación y medición periódica de subproductos críticos.
| ORP | Interpretación orientativa |
|---|---|
| ORP < +300 mV | Condición reductora/moderada; inadecuado para desinfección eficiente. |
| ORP +300 a +500 mV | Zona intermedia; puede indicar presencia de oxidantes moderados. |
| ORP +500 a +700 mV | Condición oxidante fuerte; útil para desinfección y oxidación de numerosos compuestos. |
| ORP > +700 mV | Muy oxidante; cuidado con formación de subproductos y corrosión. |
Los valores indicados son orientativos. La relación exacta entre ORP y ppm de O₃ varía con la matriz. La recomendación es realizar una curva empírica ORP vs. O₃ disuelto en condiciones reales.
ORP en fase gaseosa no es aplicable; para ozonización de aire interior u ambientes, se monitoriza O₃ en aire (ppm) con detectores específicos y la humedad relativa (HR). Para control de ozono en ambientes se usarán siempre sensores de gas O₃ y sensores de humedad.
Dosis, tiempo de contacto y transferencia de ozono
Las recomendaciones siguientes son orientativas y deben validarse por pruebas piloto; la respuesta real depende de composición de agua, DQO, SST, pH, bromuro, y del objetivo (desinfección, eliminación parcial de API, mineralización o aumento de biodegradabilidad).
1 ppm ≈ 1 mg·L⁻¹ (en agua diluida). En muchos sistemas se usa mg·L⁻¹ para expresar dosis.
Dosis más altas y tiempos más largos favorecen la generación de radicales y la eliminación de compuestos recalcitrantes; sin embargo, aumentan coste y riesgo de subproductos.
En el estudio de degradación de metomilo se trabajó con una concentración de ozono de 0.07 mg/L y tiempos de contacto de 3 y 10 min. La mayor degradación se obtuvo con pH 11 y 10 min de contacto en agua destilada.
En el estudio de aguas residuales de estaciones de servicio se utilizó un flujo de 4.02 L h-1 de ozono producido en un generador de descarga dieléctrica. La prueba se realizó para periodos de 20 min y 40 min con muestras de 250 mL de agua residual.
Subproductos y riesgos del proceso
El principal riesgo de la ozonización es la formación de bromato (BrO₃⁻) a partir de bromuro (Br⁻) durante la ozonización de aguas con contenido de bromuro, especialmente a pH ácido-alcalino y dosis altas de ozono. El bromato es carcinógeno y regulado.
Si bromuro > 100 µg·L⁻¹, valor orientativo, el riesgo de bromato al usar ozono aumenta. Las medidas indicadas son ajustar pH, reducir dosificación de O₃, emplear AOP que reduzcan formación de bromato, realizar ozonización seguida de adsorción por carbón activo y monitorizar BrO₃⁻ periódicamente.
Otros transformados intermedios pueden aparecer; la estrategia de diseño debe considerar su identificación y tratamiento posterior (biológico, carbón activo, etc.). En el caso del metomilo, la evaluación mediante LC-MS/MS permitió determinar la degradación del contaminante en diferentes matrices de agua.
El ozono es altamente corrosivo y tóxico. En niveles elevados, el ozono puede suponer un riesgo potencial para la salud, por ello, debe emplearse en ausencia de personas.
La generación de ozono debe realizarse “in situ” por problemas en el almacenamiento y transporte. La inestabilidad de la molécula deriva en la capacidad para desinfectar, pero también limita su almacenamiento y exige controlar el gas residual del reactor.
Ventajas y limitaciones de la ozonización alcalina
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Favorece la formación de radicales hidroxilo. | El ozono se descompone rápidamente a pH elevado. |
| Puede degradar contaminantes resistentes a tratamientos convencionales. | La materia orgánica y los sólidos consumen ozono y radicales. |
| Permite oxidación directa e indirecta. | La composición del agua puede reducir considerablemente la eficacia. |
| Reduce compuestos orgánicos, color, olor y turbidez. | Puede producir bromato si hay bromuro. |
| Proporciona una desinfección rápida. | El equipamiento inicial y el consumo energético pueden ser elevados. |
| No deja un residuo químico halogenado cuando el ozono se transforma en oxígeno. | Requiere generación in situ y materiales resistentes a la oxidación. |
| Puede combinarse con H₂O₂, UV o catalizadores. | Los productos de transformación pueden requerir tratamiento posterior. |
La ozonización es ampliamente utilizada en el tratamiento de las aguas, tanto potables como residuales. Permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, reduciéndose el TOC, olor, color, sabor y turbidez de las aguas, así como compuestos refractarios (sustancias tóxicas y compuestos farmacéuticos).
Aunque es necesaria su generación “in situ” mediante “descargas eléctricas silenciosas” y su coste inicial es alto, es un potente desinfectante debido a su alta reactividad y poder de reducción.
Comparación con Fenton y radiación UV
Ozono
Ozono (O₃ / AOPs con O₃): oxidante molecular y vía radicales ·OH en AOP; sin residuo clorado; eficiente en oxidación selectiva y en parsimonia de residuos.
Ozono: muy efectivo para compuestos con dobles enlaces y fenoles; variable para compuestos heterocíclicos; en AOP mejora eliminación de compuestos recalcitrantes. No deja residuo clorado; rápida desinfección; aplicable en línea; puede integrarse en etapas finales; modular y escalable.
Proceso Fenton
Fenton (Fe²⁺ + H₂O₂): genera radicales ·OH por reacción homogénea entre peróxido e ion hierro; muy efectivo para oxidación de materia orgánica y ciertos micropollutantes; requiere ajuste de pH ácido (~2,5-4) y manejo de lodos férricos.
Fenton: muy potente en generación de ·OH; puede mineralizar compuestos recalcitrantes; efectivo para una gran gama de APIs. Sus limitaciones son la necesidad de pH ácido, la neutralización posterior, la generación de lodos y sales férricas, y el riesgo de sobredosificación de H₂O₂.
Radiación UV
UV254 (directo y UV254/H₂O₂): fotólisis directa y generación de ·OH cuando se combina con H₂O₂; requiere agua relativamente limpia, con baja turbidez, y la dosis UV adecuada; buen control pero limitado si el agua absorbe UV.
UV: control fiable, sin residuos químicos, salvo cuando se añade H₂O₂; fácil adopción; menor riesgo de subproductos químicos, excepto cuando se usan aditivos. La eficiencia se reduce por la turbidez y los sólidos, y requiere mantenimiento de lámparas.
Aplicaciones en tratamiento de aguas
Agua potable
En el caso de las aguas potables, el ozono es típicamente empleado en una pre-desinfección para el control de algas e inactivación de bacterias y virus, y como pre-oxidación y/o oxidación intermedia de la materia orgánica e inorgánica para eliminación de compuestos que proporcionan sabor, olor y color al agua.
Además, es utilizado para la eliminación de la turbidez, iones metálicos y reduce los niveles de trihalometanos (THM) y precursores orgánicos relacionados. El ozono oxida hierro, manganeso y sulfuros.
Gracias a la fase de pre-ozonización, se aprecia una considerable mejora en la actividad de filtración y precipitación. Esto se debe a que, optimiza la coagulación.
Aguas residuales
En el tratamiento de las aguas residuales, el ozono se emplea en la desinfección para reutilización, oxidación de compuestos inorgánicos, oxidación de compuestos orgánicos y eliminación de partículas.
El tratamiento terciario permite ofrecer una desinfección adecuada que permita reutilizar el agua u otros usos como es eliminar el color. La adición al reactor biológico incrementa el nivel de oxígeno presente en el reactor, produciendo así la oxidación biológica.
Esto se produce gracias a la presencia del ozono, cuya reacción con las sustancias presentes, incrementa la biodegradabilidad resultante. En la línea de fangos, el ozono puede convertir sustancias inertes en materia biodegradable, prevenir la aparición de espumas e incrementar el metano presente.
Contaminantes emergentes
Actualmente, la ozonización también es empleada para la eliminación de contaminantes emergentes, como compuestos farmacéuticos, POPs, PTBs y PPCPs. La ozonización es efectiva ante productos farmacéuticos.
La capacidad del ozono para eliminar la presencia de residuos farmacéuticos es una realidad. Entre otras sustancias eliminadas, se hallan pesticidas, derivados farmacéuticos y surfactantes.
La mezcla compleja de microcontaminantes puede incluir compuestos fácilmente oxidables por ozono, como dobles enlaces y fenoles, y otros recalcitrantes, como carbamazepina y algunos antibióticos, que pueden ser transformados por AOP a productos menos activos o más biodegradables.
Control analítico del proceso
En una evaluación experimental de ozonización se determinaron parámetros como pH, Demanda Química de Oxigeno (DQO), Carbón Organico Disuelto (COD), turbiedad, grasas y aceites, concentración de hidrocarburos y sustancias activas de azul de metileno (SAAM) según se establece en Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.
También se realizó el análisis del espectro UV-VIS del efluente de ozonización y cromatografía de gases asociada a masas, teniendo en cuenta que este último se realizó en las pruebas que presentaron los mejores resultados.
El análisis estadistico se realizó por medio de diagrama de Pareto y análisis de varianzas para cada una de las variables de respuesta utilizando el Sofware Minitab. Las mediciones de turbidez fueron realizadas en un tubímetro HACH 2100 de 0-4000 NTU con una precisión de +/-5%.
La demanda química de oxígeno (DQO) se determinó mediante el método de reflujo cerrado y colorimétrico según el Método Estándar 5220 D en muestras diluidas con agua desionizada. El Carbono Orgánico Disuelto (COD) se midió en el analizador Shimadzu TOC-VCPH siguiendo el Método Estándar 5310-B.
Se determinaron los cloruros (Cl-) y sulfatos (SO4 2-) de las aguas residuales con el equipo Spectroquant Pharo 3000 en un rango de 2.5-300 mg/L, el pH por medio de un multiparámetro Eijkelkamp Agrisearch 18.50.01, previamente calibrado.
Se realizó la medición de hidrocarburos totales como se establece en el Método Estándar 5520 F, las grasas y aceites se determiaron como se establece en el Método Estándar 5520 D y las sustancias activas al azul de metileno (SAAM) como se establece en el Método Estándar 5540 C.
Los análisis de cromatografia acoplada a masas se realizaron a las pruebas que presentaron los porcentajes más altos en disminución de carga orgánica (DQO, COD), se realizó en un cromatógrafo de gases con detector selectivo de masas marca Shimadzu modelo QP2010 Plus.
Buenas prácticas para diseñar un tratamiento alcalino
- Caracterizar el agua antes de modificar el pH, incluyendo DQO, COD, turbidez, sólidos, bromuro, cloruros, alcalinidad y contaminantes objetivo.
- Determinar si el contaminante reacciona principalmente con ozono molecular o si requiere una mayor contribución de radicales hidroxilo.
- Realizar pruebas con diferentes valores de pH y tiempos de contacto, porque la condición óptima depende de la matriz.
- Evaluar la presencia de carbonatos y nitratos, debido a su capacidad de secuestrar radicales ●OH.
- Controlar la temperatura, ya que la estabilidad del ozono disminuye con la temperatura.
- Reducir sólidos y materia orgánica particulada antes del reactor cuando estos impidan la transferencia de ozono.
- Medir ozono disuelto y ozono en el gas de salida, sin utilizar ORP como único indicador.
- Controlar bromuro y bromato cuando el agua contenga haluros.
- Identificar productos de transformación cuando se traten plaguicidas, fármacos, tintas o compuestos industriales complejos.
- Incorporar una etapa posterior, como tratamiento biológico, carbón activo o filtración, cuando la oxidación produzca compuestos intermedios que permanezcan en el agua.
La ozonización en medio alcalino puede aumentar la producción de radicales hidroxilo y mejorar la degradación de numerosos contaminantes, pero su rendimiento no depende únicamente del pH. La matriz del agua, la alcalinidad, los carbonatos, los nitratos, la materia orgánica, el bromuro, la temperatura, el tiempo de contacto y la transferencia de ozono determinan el resultado real del proceso.
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