Caracterización, modelado y cálculo de parámetros cinéticos de un proceso de ozonación en suelo contaminado con fenantreno

Abstract

RESUMEN: El presente trabajo abordo el estudio de la descomposición de fenantreno presente en un suelo modelo y un suelo real. Se analizaron las propiedades fisicoquímicas de cada medio, tales como; textura, densidad aparente, densidad real, porosidad, composición elemental, permeabilidad, área superficial, volumen de poro, Se propuso un modelo matemático basado en Ecuaciones Diferenciales Ordinarias para describir de forma global la interacción del ozono con el medio sólido, en presencia y en ausencia de fenantreno, obteniendo así dos parámetros importantes, los cuales permiten la caracterización de cada medio; la constante de saturación particular del tipo de suelo (ksat), así como la constante de reacción entre el fenantreno y el ozono (Kr). En la segunda etapa se realizo el análisis e identificación parcial de los subproductos y productos finales de la descomposición, generados por la ozonación de los medios porosos contaminados, además de un estudio sobre el efecto que tiene la presencia de la materia orgánica en la descomposición de fenantreno por ozonación, para el caso especifico del suelo agrícola. En base a los resultados obtenidos, se observo que el suelo modelo de tipo comercial, presento una textura prácticamente arenosa, una morfología homogénea (esférica), con un tamaño de partícula que varía entre 0.1779 y 0.15mm de diámetro, su composición elemental es prácticamente SiO2, presentando una densidad especifica de 1701.38 Kg/m3, y una densidad real de 2492.50 Kg/m3, lo que repercutió de manera directa sobre su porosidad efectiva de 31%, de cierta manera, el efecto que tiene la porosidad influyo sobre la deposición del contaminante presente, así como la capacidad de adsorción en el medio, observando en base a lo anterior, que se tuvo un efecto mínimo en cuanto a la adsorción del contaminante, provocando con ello, un efecto de cristalización, situación asociada directamente con la eficiencia en la remoción de dicho contaminante, pues bajo estas condiciones se obtuvo un 79% de remoción de fenantreno. En el caso del suelo agrícola se determino una textura arcillo-arenosa, cuya morfología fue heterogénea, es decir no se tiene una forma geométrica definida, el tamaño de partícula vario entre 0.1779 y 0.05mm de diámetro, aun después del proceso de tamizado. Su composición elemental es prácticamente oxido de silicio y montmorrilonita, provocando con ello una menor densidad aparente (999.52 Kg/m3), pero a diferencia del medio anterior, se obtuvo una mayor densidad real (2673.55 Kg/m3), provocando con ello mayor área superficial, así como una mayor porosidad (57.14%), parámetros que repercuten de manera directa sobre la adsorción del contaminante, así como su deposición en forma de cristales, limitando su tamaño de acuerdo al volumen de poro, incrementando la superficie de contacto entre el ozono y el contaminante, situación que repercutió sobre la eficiencia en la degradación del fenantreno en el medio, obteniendo un 95.29%, presentando una mejor degradación en este medio, confirmando que, las propiedades fisicoquímicas repercuten de manera directa sobre la técnica de remediación de suelos contaminados. Se confirmo también, que las propiedades fisicoquímicas, repercuten de manera directa sobre la dinámica de degradación del fenantreno por ozonación. Observando que es posible tener una descomposición más rápida del contaminante y de los subproductos formados a partir del proceso de ozonación, en un medio con características similares a las del suelo agrícola calcinado. Con respecto a la propuesta, desarrollo e implementación del modelo matemático, se obtuvo un parámetro de saturación característico para el medio (ksat), siendo de 10.91x10-2 s-1 para la arena horneada y de 9.97x10-2 s-1 para el caso del suelo agrícola, dicho parámetro representa el fenómeno de saturación del medio poroso por ozonación. Por otro lado, mediante dicho modelo fue posible la obtención de una constante cinética de reacción del fenantreno con el ozono en fase gaseosa, cuyo valor fue de Kr = 14.01x104 [g suelo /mg fenantreno*s En la segunda etapa se llevo a cabo la identificación de los subproductos así como su dinámica de formación y descomposición, logrando identificar fenantroquinona e hidroquinona, así como ácidos de cadena corta como el acido ftálico, oxálico como productos finales de la descomposición, observando que las propiedades fisicoquímicas no repercuten de manera directa sobre la naturaleza de los subproductos formados, pero si sobre la velocidad de formación y descomposición de los mismos, siendo más rápida y efectiva para el caso del suelo agrícola. Finalmente se estudio el efecto que tiene la presencia de la materia orgánica en un suelo de tipo agrícola, comprobando que en su presencia, la eficiencia en la remoción del contaminante disminuye, aumentando la cantidad de ozono necesaria para la degradación, al demandar ozono para efectuar su descomposición, sin embargo, la cinética de la descomposición no se vio afectada por tal presencia, confirmando que no se tiene un efecto negativo. ABSTRACT: The present study addressed the study of the decomposition of phenanthrene present in a ground floor and actual model. We analyzed the physicochemical properties of each medium, such as, texture, bulk density, particle density, porosity, elemental composition, permeability, surface area, pore volume, was proposed a mathematical model based on ordinary differential equations to describe comprehensively the ozone interaction with the solid medium in the presence and absence of phenanthrene, thus obtaining two important parameters, which allow the characterization of each medium, the saturation constant particular soil type (ksat) and the reaction constant between phenanthrene and ozone (Kr). In the second step was performed the analysis and identification of partial-products and end products of the decomposition generated by ozonation contaminated porous media, and a study on the effect of the presence of organic matter decomposition phenanthrene by ozonation, for the specific case of agricultural land. Based on these results, it was observed that the commercial model soil, present a virtually sandy texture, a uniform morphology (spherical) with a particle size ranging between 0.1779 and 0.15mm in diameter is practically elemental composition SiO2, presenting a specific density of 1701.38 kg/m3, and a true density of 2492.50 kg/m3, which impacted directly on the effective porosity of 31%, in some way, the effect of porosity influenced the deposition the contaminant and the adsorption capacity of the medium, based on observing this, that had a minimal effect in terms of adsorption of the contaminant, thereby causing an effect crystallization situation directly associated with the efficiency in the removal of that pollutant, because under these conditions was obtained for 79% removal of phenanthrene. In the case of agricultural soil texture was determined sandy clay, whose morphology was heterogeneous, ie not having a defined geometric shape, the particle size ranged between 0.1779 and 0.05 mm in diameter, even after the screening process. Its elemental composition is virtually montmorrilonita silicon oxide, thus causing a lower apparent density (999.52 kg/m3), but unlike the above medium was obtained a higher true density (2673.55 kg/m3), thereby causing greater area surface and a higher porosity (57.14%), parameters that impact directly on the adsorption of the pollutant and its deposition as crystals, limiting its size according to the pore volume, increasing the contact surface between the ozone and the contaminant that was relevant situation efficiency phenanthrene degradation in the environment, obtaining 95.29%, presenting a better degradation in this medium, confirming that the physicochemical properties have a direct impact on the technique of soil remediation contaminated. It was also confirmed that the physicochemical properties, have a direct impact on the dynamics of phenanthrene degradation by ozonation. Noting That it is possible to have a more rapid breakdown of the contaminant and of the Products Formed from the ozonation process in a medium with similar Characteristics to calcined agricultural soil. Regarding the proposal, development and implementation of the mathematical model, we obtained a saturation parameter characteristic for the middle (KSAT), being 10.91x10-2 s-1 for baked sand and 9.97x10-2 s-2 for the case of agricultural land, this parameter represents the phenomenon of saturation of the porous media by ozonation. Furthermore, using this model it was possible to obtain a reaction rate constant of phenanthrene with the gas phase ozone, which value was 14.01x104 Kr = [g soil / mg phenanthrene * s. In the second stage was conducted to identify the products as well as their dynamic formation and decomposition, obtaining phenanthroquinone identify and hydroquinone, as well as short chain acids such as phthalic acid, oxalic as end of decomposition products, noting that the no physicochemical properties have a direct impact on the nature of the products formed, but if on the formation and decomposition rate thereof, being more rapidly and effectively in the case of agricultural land. Finally we study the effect of the presence of organic matter in agricultural soil type, proving that in his presence, the removal efficiency of contaminant decreases, increasing the amount of ozone required for degradation, the ozone demand to perform decomposition, however, the kinetics of decomposition was not affected by such a presence, confirming that there is no negative effect.