Optoelectronic optimization of photocatalytic processes for wastewater treatment

Abstract

Water pollution is an alarming problem that endangers the health of all living beings. The textile industry is listed as one of the most contaminating industries, since in order to carry out its dyeing and finishing processes, it requires a large amount of water resources; by decades, this industry has used Advanced Oxidation Processes (AOPs), since they have several advantages (e. g. destruction of toxic substances, reduction of heavy metals, allowing their use in conjunction with other processes, among others). Among the AOPs, heterogeneous photocatalysis stands out for its high efficiency for the removal of contaminants, including azo dyes.

In order to perform a photocatalytic process, it is necessary to have a photoreactor, which will require a photocatalyst and at least one light source that activates the catalyst. This type of photoreactors can present several problems, such as the use of high cost photocatalysts, the generation of toxic byproducts in some low photocatalysts, the high electrical consumption caused by the use of traditional lighting sources and even difficulties with the geometry of the photoreactors.

Hence the scientific community has tried to optimize the photocatalytic processes, some scientists have worked in the generation of new photocatalysts to be able to use them in wavelengths generated by low cost lighting sources (e. g. visible light), nevertheless, which in many times it increases the price of the photocatalyst. Another approach is to reduce electricity consumption by opting for the replacement of traditional lamps with low consumption lighting, for example, LED lighting; However, this substitution is currently done arbitrarily, so sometimes some authors doubt the ability to use these sources in this type of process. Moreover, when trying to improve the lighting sources, the photoreactor can be altered, so it is important to take into account its characteristics in order to achieve a significant improvement.

This thesis focuses on an optoelectronic optimization to improve the efficiency of the lighting sources used in photocatalytic reactors. For this, a methodology has been generated to calculate LED arrays using uniform irradiance models, this irradiance must be homogeneous, with enough energy to photoactivate the catalyst with the aim to replace the traditional lamps, avoiding the chemical alteration of the photocatalysts; Likewise, a photocatalytic reactor has been designed and implemented on a laboratory scale with ultraviolet illumination adjusted to its characteristics (i.e. geometry, dimensions, among others) to work with a low cost photocatalyst (TiO2) in the decolorization of wastewater with textile dyes. Finally, in-situ monitoring has been designed and implemented in order to analyze the decolorization of textile water, this type of monitoring avoids the collection of water samples during the process, without altering the geometry of the reactor or reducing the volume of treated water in the reactor.

La contaminación del agua es un problema alarmante que pone en peligro la salud de todos los seres vivos. La industria textil está catalogada como una de las industrias más contaminantes, puesto que para realizar sus procesos de teñido y acabado requieren de una gran cantidad de recursos hídricos; desde hace décadas esta industria ha usado los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs) al presentar diversas ventajas (e. g. destrucción de sustancias tóxicas, reducción de metales pesados, permitir su uso en conjunto con otros procesos, entre otros). Entre los AOPs, sobresale la fotocatálisis heterogénea, por su alta eficiencia para la remoción de contaminantes, incluidos los colorantes azoicos. Para realizar un proceso fotocatalítico, es necesario tener un fotorreactor, el cual requerirá de un fotocatalizador y al menos una fuente de iluminación que active el catalizador. Este tipo de fotorreactores pueden presentar diversos problemas, tales como, el uso fotocatalizadores de alto costo, la generación de subproductos tóxicos en algunos fotocatalizadores de bajo, el alto consumo eléctrico causado por la utilización de fuentes tradicionales de iluminación e incluso dificultades con la geometría de los fotorreactores. Por lo tanto la comunidad científica ha intentado optimizar los procesos fotocatalíticos, algunos científicos han trabajado en la generación de nuevos fotocatalizadores para poder utilizarlos en longitudes de onda generada por fuentes de iluminación de bajo coste (e. g. luz visible), no obstante, lo que en muchas ocasiones incrementa el precio del fotocatalizador. Otro enfoque se encuentra en la reducción del consumo eléctrico optando por la sustitución de las lámparas tradicionales por iluminación de bajo consumo, por ejemplo, iluminación LED; sin embargo, actualmente esta sustitución se realiza de manera arbitraria, por lo que en ocasiones algunos autores dudan de la capacidad de utilizar estas fuentes en este tipo de procesos. Además al intentar mejorar las fuentes de iluminación puede alterarse el fotorreactor, por lo que es importante tomar en consideración sus características para lograr una mejora significativa. Esta tesis se enfoca en una optimización optoelectrónica para mejorar la eficiencia de las fuentes de iluminación utilizadas en reactores fotocatalíticos. Para ello se ha generado una metodología para calcular arreglos de LEDs utilizando modelos de irradiancia uniforme, esta irradiancia debe ser homogénea, con energía suficiente para fotoactivar el catalizador y sustituir las lámparas tradicionales, evitando la alteración química de los fotocatalizadores; asimismo, se ha diseñado e implementado un reactor fotocatalítico a escala de laboratorio con iluminación ultravioleta ajustada a sus características (geometría, dimensiones, entre otros) para trabajar con un fotocatalizador de bajo coste (TiO2) en la decoloración de agua con colorantes textiles. Para finalizar se ha diseñado e implementado un sistema de monitorización in-situ para la decoloración de aguas teñidas, este tipo de monitorización evita la toma de muestras de durante el proceso, sin alterar la geometría del reactor ni disminuir el volumen de agua tratada del reactor.