Una aplicación del proceso de oxidación avanzada en el tratamiento de aguas residuales aceitosas crudas industriales

Oct 18, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3420 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El proceso de oxidación avanzada, a través del proceso de oxidación fotocatalítica, se demostró en este estudio como una de las técnicas prometedoras de tratamiento simulado de aguas residuales aceitosas. Se investigaron varios factores efectivos, como la concentración inicial de aceite, la dosis de catalizador, la velocidad de agitación (rpm), el valor de pH y la dosis de peróxido de hidrógeno (H2O2) que influyen en la tasa de degradación fotocatalítica de las aguas residuales aceitosas. El catalizador utilizado en este trabajo fue dióxido de titanio (TiO2). La solubilidad del aceite en agua se incrementó usando emulsionante. Los resultados indicaron que el proceso de oxidación fotocatalítica tiene un buen porcentaje de remoción de aceite de aguas residuales aceitosas alcanzando el 98,43% a parámetros óptimos de operación de 1 g/L de concentración inicial de aceite, 850 rpm, 8 pH, 3 mL H2O2 y 1,5 g/L de TiO2 después de 40 min de tiempo de irradiación. La reacción de degradación sigue una cinética de primer orden con un coeficiente de correlación (R2) del 93,7%. En última instancia, la aplicación de procesos de oxidación fotocatalítica en estos parámetros operativos óptimos en aguas residuales aceitosas industriales recolectadas de una corriente efluente de Ras Shukair en Red See suministrada por Asuit Petrochemical Company se realizó en Egipto. Los resultados mostraron que la mejor remoción de aceite (99%) se logró luego de agregar 3 mL de H2O2 en un tiempo de reacción de 40 min en comparación con sin agregar H2O2.

Aumentos recientes en la actividad humana a nivel de sectores domiciliarios1, sectores agrícolas2 y sectores municipales3 dando como resultado un aumento de los contaminantes orgánicos en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, lo que provoca una descarga a los cuerpos de agua que no cumple con los criterios de seguridad y ambientales. Debido a su peligrosidad, las aguas residuales contaminadas con petróleo pueden dañar el medio ambiente. Con la necesidad de más gasolineras para dar servicio a la creciente cantidad de automóviles, la proporción de efluentes contaminados con diesel/gasoil de estas instalaciones también ha crecido. Los seres humanos que usan diésel o gasóleo pueden tener irritación en la piel y los ojos; sin embargo, no se han estudiado bien los impactos adicionales4. El diesel es un tóxico ya que contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que tienen la posibilidad de causar cáncer humano y son perjudiciales para la salud humana5. Para el vertido de efluentes oleosos a aguas superficiales o sistemas de alcantarillado, se crearon normas y reglamentos. Estas leyes pueden diferir de una nación a otra e incluso dentro de una misma nación.

La necesidad de tratamiento de aguas residuales está dictada por el aumento global en la liberación de aguas residuales resbaladizas, los controles rigurosos para la liberación a borbotones y el impulso constante para reutilizar las aguas residuales tratadas. La selección de métodos de tratamiento para aguas residuales tranquilas está influenciada por factores que incluyen la composición de las aguas residuales, los desafíos administrativos, los precios, la efectividad del tratamiento y el uso final de las aguas residuales6. Las técnicas convencionales para el tratamiento de aguas residuales aceitosas incluyen la flotación con aire disuelto, la emulsificación, la coagulación química, la separación por gravedad, la floculación, la sedimentación y el tratamiento biológico7. Sin embargo, estos métodos necesitan un tiempo de sedimentación prolongado, un gran espacio de terreno e implican graves problemas de manejo de lodos8. El lodo producido deberá tratarse con métodos novedosos, como la adición de nanopartículas para producir biogás a partir del lodo9, por lo que, de acuerdo con la calidad del agua natural y la deficiencia de agua limpia, se requiere el desarrollo de tecnologías y tratamientos de aguas residuales baratos.

Sin embargo, es un desafío reunir un solo método o procedimiento para satisfacer las limitaciones requeridas para el flujo debido a la complejidad del contenido orgánico de las aguas residuales aceitosas. En este sentido, los investigadores trabajan continuamente para crear una estrategia terapéutica exitosa. Se han investigado procesos de oxidación avanzada (POA), una alternativa a los métodos de tratamiento tradicionales, para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con petróleo. Los intermedios altamente reactivos, como los radicales hidroxilo (HO·), los radicales sulfato, O2–·, H2O2 y O3 se utilizan en los AOP para dañar y mineralizar los contaminantes orgánicos en las aguas residuales mediante procesos de oxidación10. Estas formas de oxígeno son responsables de la oxidación y reducción de los compuestos adheridos a la superficie del catalizador. El principal mecanismo principal en los procesos de tratamiento de AOP radicales basados ​​en UV es el uso de luz ultravioleta para iniciar la generación de radicales hidroxilo mediante fotólisis directa de peróxido de hidrógeno (H2O2), reacciones de foto-Fenton o fotocatálisis heterogénea. Para el tratamiento del agua potable y las instalaciones para la reutilización del agua, se han establecido y puesto en marcha sus tecnologías. Además, los científicos e investigadores que trabajan en el campo del medio ambiente investigan constantemente una serie de AOP, incluidos los relacionados con el procesamiento electroquímico, la utilización de haces de electrones, el plasma, las microondas y los ultrasonidos. Dichos procesos incluyen procesos homogéneos y heterogéneos que pueden ser incluidos por la luz UV para mejorar la reacción. Esta luz ultravioleta puede provenir de la luz solar natural o de una fuente de lámpara artificial simulada. Los procesos homogéneos como el reactivo de Fenton, H2O2 y ozono y la fotocatálisis heterogénea utilizan semiconductores como TiO2, Fe2O3, CdS, GaP, ZnS y ZnO11.

Cuando se juntan más compuestos biodegradables o se suman a la mineralización con dióxido de carbono y agua, estos catalizadores provocan el deterioro de la materia natural extremadamente viable. El conocido tipo de dióxido de titanio (TiO2) utilizado en la tecnología de fotocatálisis. Es el fotocatalizador más energético (300 nm < 1 < 390 nm) que mantiene la estabilidad durante ciclos catalíticos repetidos. También exhibe una alta estabilidad química, física y térmica, lo que asegura su uso generalizado y efectivo en el tratamiento de aguas residuales y agua.

A diferencia de otras tecnologías de tratamiento de agua, la fotocatálisis tiene la capacidad de realizar dos procesos de purificación simultáneamente: reducción y oxidación. Al recubrir los metales sobre la superficie del catalizador con la ayuda de electrones de banda de conducción, la reducción es más efectiva para extraer los metales disueltos del agua. El contaminante orgánico disuelto se mineraliza utilizando las capacidades de oxidación del fotocatalizador12.

En este estudio, la tecnología de oxidación de fotocatálisis heterogénea (UV/TiO2/H2O2) se utilizó en una muestra real de aguas residuales para la mineralización de petróleo que proviene de una corriente efluente de Ras Shukair en Red See suministrada por Asuit Petrochemical Company se realizó en Egipto. El catalizador, que a menudo es un semiconductor, se expone a la radiación para producir sitios donantes de electrones (sitios reductores) y sitios aceptores de electrones (sitios oxidantes), dando a los reactivos redox un gran potencial. Se investigó el efecto de la dosis de catalizador de TiO2, la dosis de H2O2, la velocidad de agitación y la concentración inicial de aceite en esta muestra real.

En este trabajo, los experimentos se realizaron en un reactor a escala de laboratorio en un lote. El montaje experimental utilizado es un ciclo cerrado como se muestra en la Fig. 1. Consiste en un tanque de plástico con una capacidad de 6 L. Este tanque incluye agua de alimentación contaminada que se someterá a tratamiento. El tanque está conectado a la entrada y salida de un reactor tubular montado sobre una placa de agitación magnética caliente (MSH-300N, BOECO, Alemania) para mantener una composición sin cambios. Este reactor tubular es una unidad UV de precipicios que consta de una lámpara UV para mejorar la reacción y las corrientes de entrada y salida de agua. El largo y el diámetro del tubo son 45 cm y 10 cm respectivamente. Se generó radiación UV (254 nm) a partir de una lámpara UV. Se utilizó una lámpara de mercurio de presión media Heraeus TNN 15/32, TQ 150 W (Alemania) como emisor UV y fuente de luz. La lámpara se fijó perpendicularmente y se sumergió en la parte superior del reactor. La lámpara se sumergió completamente en el reactor cilíndrico. La lámpara UV estaba cubierta con una funda de cuarzo para su protección. La distancia entre la lámpara y el reactor se fijó en 5 cm para garantizar la máxima irradiación de luz.

Reactor de proceso de oxidación avanzada basado en UV: (1) Salida de agua de refrigeración, (2) Lámpara UV, (3) Reactor, (4) Agitador, (5) Entrada de agua de refrigeración y (6) Agitador magnético.

La bomba es la primera instrumentación utilizada en el experimento de circulación de agua contaminada a través de un reactor tubular. Proporciona un caudal de salida de 2000 ml/min. La segunda instrumentación utilizada es la centrifugadora (modelo DLAB) para separar el TiO2 de la solución de aceite que se medirá en el medidor de turbidez. Se utilizó el medidor de turbidez (TU-2016) para medir la concentración de aceite después de la centrifugación. También se usó la balanza sensible (Ohaus Corp Pine Brook, NJ, EE. UU., artículo AR 2140) para pesar el número de gramos de catalizador. El pH de la muestra se midió con un medidor de pH (modelo 3505 de JENWAY Instruments, con una resolución de 0,01 y una precisión de ± 0,02). El medidor de pH se calibró diariamente mediante tampones de pH 4 y pH 7.

Los reactivos utilizados en este experimento son agua destilada preparada en laboratorios del departamento de ingeniería química, catalizador de TiO2 (tipo anatasa) con tamaño de partícula de 0,005 mm y densidad de 378 g/cm3, solución de H2SO4 diluida, solución de NaOH y la solución de H2O2 oxidante utilizada en este experimento fueron de grado analítico. Todos estos reactivos son grados puros suministrados por Merck).

La intensidad de la luz de la lámpara (20 W/m2 h) se configuró para que fuera casi firme a lo largo de los experimentos. Se preparó una solución de aceite en una solución madre de concentración de 1000 ppm y posteriormente se diluyó a las concentraciones requeridas utilizando agua destilada. En cada corrida experimental, se colocaron 5 L de muestra de agua residual aceitosa con una concentración definida de aceite en el tanque de alimentación de plástico. Se añadió una dosis definida del catalizador de TiO2 al tanque de alimentación con una fuerte mezcla. Luego, se agregó peróxido de hidrógeno (1–4 mL) a la solución. Para eliminar el efecto de adsorción, la suspensión se sometió a mezcla durante aproximadamente 3 a 5 minutos en ausencia de lámpara UV.

En el experimento con lámpara ultravioleta, la bomba se unió al tanque y funcionó a una tasa de vacío especificada, por lo que la solución contaminada se hizo circular desde el tanque de plástico al reactor tubular y de regreso al tanque de plástico y se repitió el ciclo. Luego, la solución se sometió a agitación a través de un agitador magnético para mezclar la solución de manera efectiva. Todos los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ordinaria (25 °C). Cada experimento duró 60 min y se extrajeron muestras (2 ml cada una) de la solución de aceite a intervalos regulares (10 min) a través de la válvula de muestra. Luego, las muestras se centrifugaron para separar el polvo de TiO2. Por último, deje las muestras unos 10 minutos para que se asiente el TiO2. La eliminación de aceite se demostró con la reducción de la turbidez de las aguas residuales aceitosas.

Se realizaron diluciones de muestras concentradas de una solución oleosa con una concentración inicial de 1000 ppm a 10 muestras de 1000 a 100 ppm y luego se midió la turbidez de cada muestra. La curva de calibración de aceite estándar se realizó registrando los valores de turbidez para un rango de concentraciones conocidas de solución de aceite como se muestra en la Fig. 2. Las lecturas de turbidez de diferentes muestras después de los experimentos se compararon con la curva de calibración y se convirtieron en concentración (ppm ) términos.

Curva de calibración estándar de aceite.

Se investigó la eliminación de aceite de las aguas residuales mediante procesos de oxidación avanzada (AOP), como los procesos de oxidación por fotocatálisis, basándose en varios parámetros descritos en la Tabla 1. El proceso de oxidación por fotocatálisis se optimizó en un experimento por lotes para encontrar los factores óptimos. verbigracia. concentración inicial de aceite, dosificación de catalizador de TiO2, dosificación de H2O2 y velocidad de agitación (rpm). La eficacia de eliminación de aceite se tuvo en cuenta a través de la optimización.

El pH de la solución es un factor significativo que afecta la fotólisis. Con el fin de inspeccionar la influencia del pH en la oxidación fotocatalítica de la solución oleosa, se realizó un experimento fotocatalítico con una variedad de pH de 4 a 11 en existencia de TiO2 a una concentración de 2 g/L, H2O2 = 3 mL, concentración inicial de aceite de 2 g/L, ya 850 rpm. La Figura 3 representa la influencia del pH en el porcentaje de eliminación. Los resultados adquiridos aclararon que el aumento del pH de la solución hasta un pH de 8 conduce a una eliminación elevada de aceite de hasta un 84 % con un tiempo de irradiación de 40 min. A un pH más bajo, se produjo la corrosión del TiO2 y se bloqueó la reacción fotocatalítica debido a la disolución del Ti2+ en la solución, así como a la reducción de la adsorción de aceite sobre el TiO2. Esto conduce a una menor tasa de descomposición13, 14.

Influencia del pH de la solución en la eficiencia de eliminación del aceite.

El porcentaje de eliminación de aceite aumenta con el pH a medida que aumenta la concentración de OH en la superficie de TiO2 en los medios básicos mediante el orificio de captura fotoinducido15. Los aceites también consisten en el grupo sulfato en su estructura, que están cargados negativamente en condiciones básicas (pH > 8). Por lo tanto, la adsorción eficiente de aceite se ve obstaculizada por causas de electricidad estática. Luego, a un pH moderado, es decir, entre 7 y 8 condiciones ideales para la adsorción de aceite y la fotoproducción de radicales hidroxilo, obteniendo la mayor tasa de eliminación de aceite versus pH. Además, es obvio que la tasa de oxidación fotocatalítica aumenta a medida que el pH de las aguas residuales aceitosas aumenta a 8.

Para examinar la influencia de la concentración inicial de aceite (Co) en el proceso fotocatalítico, los diversos valores de concentración inicial de aceite (0,5, 1, 1,5 y 2 g/L) se realizaron a 8 pH, H2O2 = 3 mL, TiO2 = 1,5 g/L y 850 rpm. La Figura 4 representa esta influencia del Co del aceite en el porcentaje de eliminación. Es evidente que el aumento de la concentración de aceite reduce el porcentaje de eliminación. Una vez que la concentración de aceite se elevó de 0,5 a 2 g/L, la eliminación de aceite se redujo de 99,5 a 86,48 % en 40 minutos de tiempo de descomposición. Con un aumento en Co; cada vez se adsorbe más aceite en la superficie de TiO2. Esto conduce a una menor generación de OH·, ya que solo hay menos sitios activos para la adsorción de iones hidroxilo y la generación de radicales hidroxilo. Además, a medida que aumentaba el Co, los fotones incidentes eran adsorbidos por el aceite antes de que pudieran alcanzar la superficie del catalizador. Luego, la absorción de fotones por parte del catalizador se reduce y, por lo tanto, la tasa de descomposición del aceite disminuye12, 16, 17.

Influencia de la concentración inicial de aceite en la eficiencia de eliminación de aceite.

La influencia de la capacidad del catalizador en la descomposición de la eliminación de aceite en TiO2 con un rango de (0,5–2 g/L) se inspeccionó a 8 pH, 850 rpm, las concentraciones iniciales de aceite y H2O2 fueron de 2 g/L y 3 mL, respectivamente. La cantidad de semiconductores como catalizador es un factor clave en las investigaciones de oxidación fotocatalítica heterogénea. Cabe señalar que la capacidad del catalizador afecta el número de sitios activos en el fotocatalizador y la penetración de la radiación a través de la suspensión12. La Figura 5 muestra que la relación de eliminación de aceite mejoró cuando la cantidad de catalizador en el reactor se elevó hasta 2 g/Lover TiO2. El aumento en el porcentaje de disposición se debió a la mejora en la generación de OH• debido a una mayor actividad catalítica de TiO2. Durante la exposición del TiO2 a la luz ultravioleta, se producen un hueco positivo y un electrón en la banda de valencia (hv+vb) y en la banda de conducción (e−cb). Los radicales hidroxilo se producen debido a la oxidación del agua adsorbida o de los iones hidroxilo por huecos en la banda de valencia en la superficie excitada, como se describe a continuación18. Los radicales producidos descomponen las partículas de aceite, elevando la tasa de eliminación. A pesar de ello, elevar la dosis de TiO2 más allá de un valor óptimo (1,5 g/L) tiene un impacto negativo en el proceso de descomposición. Esto es consecuencia del hecho de que las moléculas de TiO2 desbordadas elevan la oscuridad de la suspensión al reducir la penetración de luz en la solución, lo que conduce a una disminución en el número de OH·, y estas explicaciones también se han establecido en investigaciones anteriores19. , 20.

Influencia de las concentraciones de dióxido de titanio (TiO2) en la degradación del aceite.

Cualquier aumento adicional en la concentración de catalizador conduce a una reducción en la eficacia de eliminación de aceite que se puede ilustrar por medio de la dispersión de luz generada por el catalizador fotorresistente suspendido21. Simultáneamente, como consecuencia del aumento de la turbidez de la suspensión, se produce una reducción de la penetración de la luz debido al aumento del efecto scattering, por lo que se reduce el tamaño de la suspensión fotoactivada22. Una concentración de 1,5 g/L de TiO2 exhibió la mejor ejecución de eliminación de aceite. Cuando se absorbió un exceso de la cantidad de TiO2, el área superficial se saturó, luego la intensidad de la luz se atenuó debido a la reducción de la penetración de la luz y al aumento de la dispersión de la luz23.

El aditivo de H2O2 es importante para mejorar la eficiencia de oxidación fotocatalítica ya que se utiliza como aceptor de electrones24. Se agregaron diferentes concentraciones de H2O2 (1–4 ml) a la solución y se irradiaron con luz ultravioleta. La Figura 6 muestra la influencia del H2O2 en el porcentaje de eliminación de aceite bajo los parámetros operativos de concentración inicial de aceite igual a 1 g/L, TiO2 igual a 1 g/L, pH 8 y velocidad de agitación de 850 rpm. De esta figura se puede observar que la remoción de los depósitos de aceite elevó la descomposición a medida que la concentración de H2O2 aumentó de 1 a 3 mL logrando un porcentaje de remoción extremo de 83.8% a 3 mL después de 40 min de tiempo de irradiación. La adición de H2O2 por encima de este valor tuvo un efecto negativo como se menciona en muchas investigaciones previas11, 12, 20. La razón de este fenómeno es que los radicales hidroxilo producidos por la fotodegradación directa del peróxido de hidrógeno son los tipos principales responsables del proceso de descomposición. La razón de este fenómeno es que los radicales hidroxilo producidos por la fotodegradación directa del peróxido de hidrógeno son los tipos principales responsables del proceso de descomposición. Se ha anticipado que el aumento de la concentración de H2O2 minimiza la tasa de descomposición del aceite debido a la reacción del peróxido de hidrógeno con estos radicales produciendo HO2·. Dado que los radicales HO2· no son tan reactivos como HO·, entonces puede adquirir una baja descomposición, actuando así como un agente inhibidor. Otra razón es que, a medida que aumentan las concentraciones de H2O2, la intensidad de la luz disminuye, porque el H2O2 también absorbe las luces del sistema y reduce la eficiencia de degradación. El aumento de la intensidad de la luz tuvo un efecto positivo en la fotodegradación y mejoró la velocidad de reacción25.

Influencia de las concentraciones de H2O2 en la descomposición del aceite.

Si el H2O2 es bajo, la formación de HO• también será mínima, lo que reducirá la eficacia del tratamiento. Por lo tanto, se debe preservar el equilibrio entre los niveles excedentes y deprimidos de H2O210, 26.

Para determinar la influencia de la velocidad de agitación en el % de remoción de aceite, se realizaron pruebas a una concentración de aceite de Co de 1 g/L, 1,5 g/L de TiO2, pH 8 y 1 mL de H2O2. Los resultados finales se muestran en la Fig. 7 que aclaran que la eficiencia de eliminación de aceite aumenta para lograr un máximo de 85,98 % a una velocidad de agitación de 850 rpm después de 40 min de tiempo de irradiación y luego tiende a caer a 78,36 % a 1000 rpm.

Influencia de la velocidad de rotación en la descomposición del aceite.

Numerosos tipos de AOP como UV, fotocatálisis de TiO2, UV/TiO2, UV/H2O2 y procesos de TiO2/UV/H2O2 han sido inspeccionados en busca de descomposición de aceite en aguas residuales aceitosas. Se realizó una comparación de estos AOP diferentes en condiciones operativas óptimas (concentración inicial de aceite de 1 g/L, 850 rpm, pH 8, 3 mL de H2O2 y 1,5 g/L de TiO2 después de 40 min de tiempo de irradiación) como se ilustra en la Fig. 8 Los resultados señalaron que el proceso de TiO2/UV/H2O2 mostró una eficiencia de eliminación de aceite superior (98,43 %) en aguas residuales aceitosas. La misma figura explica que la adición de H2O2 al proceso UV/TiO2 aumenta obviamente el porcentaje de eliminación de aceite porque el H2O2 actúa como aceptor de electrones. Este fenómeno se puede dilucidar que la descomposición del aceite se controla fundamentalmente por medio de los radicales hidroxilo generados por la conjunción de TiO2 y H2O2 en el sistema H2O2/TiO2/UV. Como se muestra también en la misma figura, el porcentaje de eliminación de aceite en el caso de TiO2 solo (proceso oscuro) se debe únicamente al efecto de la adsorción de TiO2. Por otro lado, en procesos ligeros fotoasistidos en presencia de luz UV, la remoción de aceite se lleva a cabo por efecto de la generación del poderoso agente oxidante (radicales libres hidroxilo OH.) ej. (UV/TiO2, UV/H2O2 , procesos UV/TiO2/H2O2). Los radicales hidroxilo producidos son la razón principal de la degradación de los contaminantes orgánicos y los contaminantes en la muestra de aguas residuales, como se indica en la literatura27.

Influencia de los procesos UV, fotocatálisis de TiO2, UV/TiO2, UV/H2O2 y TiO2/UV/H2O2 sobre el porcentaje de eliminación de aceite.

La vida útil del catalizador es un factor definitivo para definir la capacidad del proceso de degradación fotocatalítica para las aguas residuales aceitosas y para evaluar su viabilidad en el mundo real. También se puede obtener una reducción de costos elevados si el fotocatalizador se puede utilizar durante un período más prolongado. La interrupción del catalizador a través de la descomposición fotocatalítica puede aumentar en gran medida el costo operativo como resultado de la alteración persistente del catalizador requerido.

El proceso de centrifugación y resuspensión aumenta la acumulación de partículas y, por lo tanto, disminuye el área de superficie específica. Propusieron que la interrupción del fotocatalizador podría aliviarse mediante técnicas superiores de dispersión o lavado de partículas.

Se han implementado varias técnicas de reactivación de catalizadores. La contaminación orgánica del catalizador se puede remediar mediante calcinaciones, combustión de materia orgánica y mantenimiento de la estabilidad y reutilización del catalizador28,29,30]. Sin embargo, este proceso gasta energía extra. Por lo tanto, aquí el catalizador se recicló 5 veces. El catalizador se recuperó enjuagando con ácido clorhídrico diluido y agua, y allí se examinó la reciclabilidad. Se nota que el porcentaje de aceite de remoción disminuyó al 60%. Se observó que el porcentaje de remoción de aceite disminuyó a 84,37%, 70,49%, 57,13%, 20,2% y 15,74% en el 1°, 2°, 3°, 4° y 5° reciclaje del fotocatalizador, respectivamente como se aclara en la Fig. 9. En nuestro estudio se recomienda reutilizar el catalizador tres veces.

Influencia del reciclado del fotocatalizador en el porcentaje de remoción de aceite.

La Tabla 2 aclara la velocidad de reacción de 1 g/L de concentración inicial de aceite, TiO2 de 1,5 g/L, 850 rpm y H2O2 de 3 mL. La forma lineal de los modelos cinéticos de primer y segundo orden se puede presentar en las Ecs. (10, 11).

donde Co es la concentración inicial de aceite y Ct es la concentración en el tiempo de irradiación t, K1 y K2 son constantes de velocidad de primer y segundo orden en min−1 y L g−1 min−1, respectivamente, t es el tiempo de degradación (en min). Una gráfica de ln Ct y [\(\frac{1}{Ct}-\frac{1}{Co}\)] contra el tiempo para cada experimento conduce a una línea recta cuya pendiente es K1 y K2, respectivamente. El análisis de regresión de las curvas de concentración frente al tiempo de degradación indica que la velocidad de reacción puede representarse mediante una cinética de primer orden. El resultado se muestra en la Fig. 10.

La velocidad de reacción de 1 g/L de concentración inicial de aceite en parámetros operativos óptimos. (a) Ecuación de primer orden (b) Ecuación de segundo orden.

Se investigó el tratamiento de aguas residuales aceitosas recolectadas de una corriente efluente de Ras Shukair en Red See suministrada por Asuit Petrochemical Company. El agua de alcantarillado de estas industrias contiene naturalmente grasas, aceites y grasas mezclados con una variedad de sustancias disueltas (orgánicas y/o inorgánicas) en suspensión en altas concentraciones. Si no se tratan antes de ser descargados en un terreno abierto o en corrientes de agua, genera problemas ambientales y riesgos para la salud. Para evitar este tipo de problemas, se realiza un proceso de pretratamiento de aguas residuales aceitosas. El proceso de tratamiento se llevó a cabo a los parámetros óptimos de operación mencionados anteriormente (1 g/L de concentración inicial de aceite, TiO2 de 1,5 g/L, 8 pH y 850 rpm). Los resultados finales se demuestran en la Fig. 11. Estos aclaran que el máximo % de remoción de aceite (99%) se logró al agregar 3 mL de H2O2 en un tiempo de reacción de 40 min. El % de remoción de aceite sin agregar H2O2 fue del 75%. Esto demostró que la adición de H2O2 es significativa para mejorar la eficiencia de AOP.

Efecto de la adición de H2O2 en un % de remoción de aceite.

En primer lugar, se utilizó UV/TiO2/H2O2 para inspeccionar el rendimiento AOP de la descomposición del aceite en aguas residuales simuladas en el estudio actual. Los factores óptimos para el proceso resultaron ser los siguientes: 1 g/L de concentración inicial de aceite, TiO2 de 1,5 g/L, 850 rpm, 8 pH y H2O2 de 3 mL. Con estos factores óptimos, se eliminó el 98,43 % del aceite de las aguas residuales aceitosas después de un tiempo de reacción de 40 min. Este estudio encontró que la oxidación fotocatalítica por UV/TiO2/H2O2 es efectiva en el tratamiento de aguas residuales aceitosas. En segundo lugar, se investigó el tratamiento de aguas residuales aceitosas recolectadas de una corriente de efluentes de Ras Shukair en Red See suministrada por Asuit Petrochemical Company con estos parámetros óptimos. El máximo porcentaje de remoción (99%) se logró en un tiempo de reacción de 40 min con 3 mL H2O2. Enjuagando el catalizador cinco veces en ácido clorhídrico diluido y agua, se evaluó la reciclabilidad del catalizador. Según nuestros estudios, el catalizador debe usarse tres veces. En tercer lugar, también se realizó un análisis de la cinética de degradación del aceite para dilucidar un efecto óptimo de los factores operativos sobre la constante de velocidad de la reacción de descomposición. La reacción de descomposición sigue una cinética de primer orden con R2 del 93,7%.

Los conjuntos de datos están disponibles en el manuscrito. Cualquier información y datos adicionales están disponibles a pedido razonable. Los datos y los materiales se pueden compartir con el autor correspondiente a petición razonable.

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Heba A. El-Gawad

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Minia, Minya, Egipto

Ebrahim Correo electrónico Ebrahim

Departamento de Ingeniería Química, Instituto Superior de Ingeniería y Tecnología del Canal, Suez, Egipto

Montaser Y. Ghaly, Ahmed A. Afify y RM Mohamed

Departamento de Ingeniería Química y Planta Piloto, Centro Nacional de Investigación (NRC), El Cairo, Egipto

Montaser Y. Ghaly

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EEE y MYG conceptualizaron el estudio. HAE-G. y RMM contribuyeron a la adquisición de datos. HAE-G., EEE, MYG, AAA y RMM realizaron el análisis de datos y generaron las tablas y figuras. AAA contribuyó con la redacción, revisión y edición. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a RM Mohamed.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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El-Gawad, HA, Ebrahiem, EE, Ghaly, MY et al. Una aplicación del proceso de oxidación avanzada en el tratamiento de aguas residuales aceitosas crudas industriales. Informe científico 13, 3420 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29263-y

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Recibido: 01 Diciembre 2022

Aceptado: 01 febrero 2023

Publicado: 28 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29263-y

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