Estudio de la química de radicales en procesos avanzados de oxidación basados en radiación ultrasónica para la eliminación de fármacos en aguas

Abstract

[ES] Debido a una creciente población y el uso de compuestos recalcitrantes a la descomposición (por ejemplo, productos farmacéuticos), los procesos de oxidación avanzada (AOP) son un tema candente en los últimos años de investigación ambiental. Una de estas técnicas es el uso de ondas ultrasónicas para producir especies reactivas dentro de burbujas de cavitación (cavitación acústica) que reaccionen con los componentes recalcitrantes. El campo de investigación en cavitación ultrasónica es muy antiguo, pero no hay un modelo estándar para las reacciones químicas que tienen lugar en fase acuosa. Este trabajo incluye un primer enfoque para las reacciones químicas que ocurren cuando las ondas ultrasónicas se irradian en agua pura y en presencia de un producto farmacéutico. Se crearon dos modelos sonoquímicos para el agua saturada en oxígeno y aire. Los modelos se crearon utilizando el programa de simulación química KPP y con el uso de códigos Matlab se obtuvieron los perfiles de concentración. El enfoque presentado en este trabajo incluye un término fuente de reacción que describe la producción de especies radicales debido a la cavitación acústica. El modelo en agua saturada de aire se calibró para períodos cortos de sonicación (20-30 minutos) tanto para agua pura como agua conteniendo productos farmaceúticos así como para períodos de sonicación más largos (2,5 horas) en agua pura. El resultado de las calibraciones mostró que el modelo funciona durante períodos de sonicación cortos. La calibración se realizó principalmente mediante la comparación de la producción experimental de H2O2 y su simulación a lo largo del tiempo. Para períodos de sonicación más largos, las simulaciones resultantes todavía mostraron resultados similares, pero los perfiles de concentración fueron muy diferentes. Por último, se llevaron a cabo experimentos a corto plazo con agua que contenía un compuesto farmacéutico y se compararon con los resultados de la simulación. Al comparar estos últimos resultados, hay algunas discrepancias. Esto puede deberse a algunos efectos o reacciones que faltan en el modelo.

[EN] Because of a growing population and use of recalcitrant compounds (e.g. pharmaceuticals), advanced oxidation processes (AOP¿s) are a hot item in the last years of environmental research. One of these techniques is using ultrasonic waves to produce reactive species inside cavitation bubbles (acoustic cavitation) to react with recalcitrant components. In acoustic cavitation a lot of research is already done in the past, but in literature no model was introduced for the aqueous chemistry. This work includes a first approach for the reactions occurring in the aqueous phase when ultrasonic waves are irradiated in pure water and in presence of a pharmaceutical. Two models were created for sonochemistry in oxygen and air saturated (pure) water. The models were created by using the chemical simulation program KPP and with the use of Matlab codes the concentration profiles were obtained. The approach includes a source reaction term ¿ that describes the production of radical species due to the acoustic cavitation. The model in air saturated water was calibrated for short sonication periods (20-30 minutes) in pure and pharmaceutical containing water and for longer sonication periods (2.5 hours) in only pure water. The outcome of the calibrations showed that the model works for short sonication periods. The calibration mostly was done by comparing the production of H2O2 in time experimentally and by simulation. For longer sonication periods, the resulting simulations still showed similar results, but concentration profiles were very different. Lastly, short time experiments with water containing a pharmaceutical compound (acetaminophen or ciprofloxacin) were carried out and compared with simulation results. When comparing these latter results, there are some discrepancies. This can be due to some missing effects or reactions in the model. This work can be an introduction for modelling acoustic cavitation but still more calibration experiments are needed to optimise the model.

[CA] A causa d'una creixent població i l'ús de compostos recalcitrants a la descomposició (per exemple, productes farmacèutics), els processos d'oxidació avançada (AOP) són un tema candent en els últims anys d'investigació ambiental. Una d'aquestes tècniques és l'ús d'ones ultrasòniques per produir espècies reactives dins de bombolles de cavitació (cavitació acústica) que reaccionin amb els components recalcitrants. El camp de recerca en cavitació ultrasònica és molt antic però no hi ha un model estàndard per a les reaccions químiques que tenen lloc en fase aquosa. Aquest treball inclou un primer enfocament per a les reaccions químiques que ocorren quan les ones ultrasòniques s'irradien en aigua pura i en presència d'un producte farmacèutic. Es van crear dos models sonoquímicos per a l'aigua saturada en oxigen i aire. Els models es van crear utilitzant el programa de simulació química KPP i amb l'ús de codis Matlab es van obtenir els perfils de concentració. L'enfocament presentat en aquest treball inclou un terme font de reacció que descriu la producció d'espècies radicals a causa de la cavitació acústica. El model en aigua saturada d'aire es va calibrar per períodes curts de sonicació (20-30 minuts) tant per a aigua pura com aigua contenint productes farmacèutics així com per a períodes de sonicació més llargs (2,5 hores) en aigua pura. El resultat dels calibratges va mostrar que el model funciona durant períodes de sonicació curts. El calibratge es va realitzar principalment mitjançant la comparació de la producció experimental d'H2O2 i la seva simulació al llarg del temps. Per a períodes de sonicació més llargs, les simulacions resultants encara van mostrar resultats similars, però els perfils de concentració van ser molt diferents. Finalment, es van dur a terme experiments a curt termini amb aigua que contenia un compost farmacèutic i es van comparar amb els resultats de la simulació. A l'comparar aquests últims resultats, hi ha algunes discrepàncies. Això pot ser degut a alguns efectes o reaccions que falten en el model.