Informe de expertos sobre el rendimiento de la decloración del proceso LaVie para el agua potable por el profesor Nicolas ROCHE, Universidad de Aix-Marsella

Por el profesor Nicolas ROCHE
Universidad de Aix-Marsella

Professeur Nicolas ROCHE, Aix-Marseille Université

Profesor Nicolas ROCHE
Universidad de Aix-Marsella
Coord. Laboratorio de Investigación Interdisciplinaria e Intersectorial del Medio Ambiente. Mecánica, modelización y procesos limpios (M2P2 – UMR 7340)
Departamento. Ingeniería Química, Ingeniería de Procesos, IUT de Aix-Marseille

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AIX – MARSEILLE UNIVERSITY AMU
LM2P2 (UMR7340)
IUT de Aix-Marsella

Preámbulo

SAS SOLABLE ha desarrollado un innovador sistema de depuración (proceso LAVIE®) del agua de la red.

Según SOLABLE :

  • Este sistema, basado en la radiación UVA, debería permitir “romper” las moléculas de cloro al tiempo que transforma la botella en POA (Proceso de Oxidación Avanzada, probado por la disminución del azul de metileno en 15 minutos). Este POA también debería permitir el tratamiento en profundidad del sabor y el olor, e incluso de otros contaminantes disueltos, como pesticidas o restos de medicamentos, sin necesidad de un filtro ni de que el agua pase por un circuito secundario.
  • Esto evita por completo la contaminación bacteriana, como la que se puede encontrar en los sistemas de filtro de jarra, y permite almacenar el agua purificada en botellas de vidrio, que encajan perfectamente en los frigoríficos.
  • La ausencia de uso de diferentes consumibles (medios o reactivos químicos) es también un plus que permite su uso en cualquier momento, sin errores de manipulación. Una función de seguridad (cortar la luz UVA cuando se abre la caja) permite incluso extender su uso a los niños.

Estos nuevos usos, que suponen una ruptura con la utilización de garrafas filtrantes en particular, llevan a SOLABLE a solicitar una evaluación científica del rendimiento cuantitativo de la decloración del agua potable y de su capacidad cualitativa para decolorar el agua coloreada con azul de metileno.
Como este producto está destinado a purificar el agua potable, las pruebas se realizaron con agua del grifo extraída de Lambesc (13), dopada con cloro dentro de los límites de cloración autorizados en Francia: entre 0,2 y 0,4 mg/litro.

Introducción :

El agua potable debe tener ciertas características para que pueda utilizarse para el consumo humano directo sin riesgo. Aunque los valores de los distintos criterios controlados pueden variar de un país a otro, pueden clasificarse en tres categorías principales:

  • parámetros fisicoquímicos (pH, COT, temperatura, conductividad, nitratos, amonio, cloruros, sulfatos, etc.)
  • sustancias tóxicas
  • parámetros microbiológicos (patógenos como los coliformes fecales).

En el caso de Francia, estos criterios se encuentran en el decreto de 11 de enero de 2007 relativo a los límites de calidad y las referencias para el agua bruta y el agua destinada al consumo humano mencionados en los artículos R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 y R. 1321-38 del código de salud pública

Para garantizar la calidad de esta agua, se aplican tratamientos al agua tomada, en función de su origen (aguas superficiales, subterráneas, desalinización, aguas pluviales, reutilización) antes de poder distribuirla, garantizando que siga siendo apta para el consumo humano hasta su punto de uso.

Los parámetros físico-químicos requeridos se consiguen mediante la aplicación de procesos de tratamiento y separación físico-químicos. La desinfección requiere el uso de soluciones de oxidación avanzadas, como la ozonización, la cloración y el tratamiento con luz ultravioleta. Sea cual sea el proceso utilizado, muy a menudo se realiza una etapa de cloración antes de la distribución para garantizar la calidad bacteriológica del agua distribuida hasta su punto de uso, debido al poder de persistencia del cloro.
Los procesos de cloración se utilizan con mucha frecuencia para desinfectar el agua de consumo (Health Canada, 2009)*. El cloro tiene un fuerte poder oxidante que le permite matar o inactivar rápidamente (tiempo de contacto de unos 30 minutos) los microorganismos contenidos en el agua y se utiliza generalmente en dos formas principales, sólida (pastilla) o líquida (lejía o hipoclorito de sodio), según su amplia gama de usos (colectivos o individuales). Además, el cloro tiene una cierta estabilidad en el agua, lo que le confiere un poder de persistencia, por lo que es importante poder añadir dosis suficientes de cloro para garantizar, por un lado, la desinfección del agua y, por otro, su poder de persistencia.

Los procesos de desinfección por cloración tienen muchas ventajas reales, ya que son eficaces, rápidos, baratos, de escala múltiple y relativamente sencillos de aplicar. Sin embargo, tienen una serie de desventajas que es importante tener en cuenta, ya que pueden afectar a la salud humana. En efecto, una sobredosis de cloro puede dar lugar a reacciones del cloro con otros compuestos presentes en el agua, en particular la materia orgánica (MO), para formar productos comúnmente llamados “subproductos de la cloración” (CBP), algunos de los cuales se consideran nocivos para la salud humana. Numerosos estudios (Mouly et al., 2008† ) han podido poner de manifiesto las condiciones para la puesta en marcha de tales reacciones que conducen a la formación de SDC. Se han identificado cerca de 600 SPC, incluidas las principales familias como los trihalometanos (THM) y los ácidos haloacéticos (HAA), que en conjunto representan entre el 20 y el 30% de la masa total de SPC. Además, una dosis de cloro residual demasiado alta puede dar un sabor desagradable al agua potable.

Por lo tanto, es importante poder limitar y controlar la producción de estos SPC en las líneas de procesamiento, pero también en los canales de distribución. Esto se consigue principalmente mediante la dosificación adecuada de cloro para oxidar la materia orgánica y limitar las concentraciones de cloro residual al final del tratamiento. Este es un punto sensible para los procesos de cloración y no siempre es fácil de implementar en los sistemas de tratamiento, especialmente si el recurso tiene características y contenidos de MO variables en el tiempo. Desde este punto de vista, la OMS recomienda una concentración de cloro libre del agua tratada distribuida entre 0,2 y 0,5 mg/l.

En los últimos años, se han desarrollado y comercializado procesos de desinfección por luz UV. Se basan en el principio de que la radiación UV tiene un fuerte efecto bactericida.

La radiación ultravioleta (UV) es una radiación electromagnética con una longitud de onda de emisión más corta que la de la luz visible y más larga que la de los rayos X. Representa alrededor del 5% de la energía electromagnética emitida por el sol y puede ser producida por lámparas, las llamadas lámparas UV. Los rayos UV se dividen clásicamente en tres categorías según su longitud de onda: UVA (400-315 nm), UVB (315-280 nm) y UVC (280-100 nm). Hay que tener en cuenta que, debido a la absorción de la radiación ultravioleta por la capa de ozono de la atmósfera, casi toda (95%) la luz ultravioleta del sol que llega a la tierra es de la categoría UVA.

Los rayos UV modifican el ADN de las bacterias y, según el tiempo de exposición, las matan o las inhiben, impidiendo así su reproducción. Por último, es importante señalar que la radiación UV también tiene un efecto destructivo sobre ciertos compuestos químicos, conocidos como compuestos fotosensibles, en el agua o la atmósfera. Por tanto, pueden participar en la fotodegradación de ciertos contaminantes químicos contenidos en el agua, incluso a bajas concentraciones.

Los procesos de desinfección con lámparas UV son relativamente sencillos en su diseño, ya que consisten en colocar la lámpara UV en un pequeño reactor con el agua a tratar en lo que comúnmente se denomina cámara de irradiación. Estos procesos se desarrollan tanto a escala industrial y colectiva como a escala individual, principalmente por su sencillez de uso. Existe una amplia y extensa literatura y desarrollo industrial de estos procesos (Oppenheimer et al., 1997)‡ pero se basan casi exclusivamente en el uso de lámparas UV de la clase UVC.

En lo que respecta al uso de lámparas UVA (categoría de radiación del proceso LAVIE® de la empresa SOLABLE), aunque, hasta donde yo sé, no existe actualmente ningún desarrollo industrial de este tipo de lámparas para el tratamiento del agua, los trabajos han demostrado no obstante la eficacia bactericida de las lámparas UVA (Hamamoto et al., 2007)§.

Por último, los procesos de desinfección con lámparas UV presentan una serie de ventajas. De hecho, son fáciles de utilizar tanto a escala industrial como individual. No requieren el uso de reactivos químicos o soportes particulares y no modifican las propiedades físicas y químicas del agua a tratar. Por último, aunque la inversión inicial en este tipo de proceso puede parecer más elevada que en otros procesos como la cloración, su coste de explotación sigue siendo muy bajo gracias a la larga vida de las lámparas utilizadas, lo que lo hace competitivo desde este punto de vista. Sin embargo, el uso de estos procesos sigue presentando algunas desventajas. La acción bactericida de los procesos con lámparas UV no es persistente, a diferencia de la cloración, por lo que debe utilizarse lo más cerca posible del punto de consumo y uso. El uso de este tipo de proceso también requiere un agua suficientemente clara de antemano para no limitar la transmisión de la radiación UV en el agua. Por último, es difícil evaluar inmediatamente la eficacia del tratamiento midiendo un residuo, como en el caso del uso del cloro, y optimizar la eficacia del tratamiento de estos procesos en el caso de un recurso caracterizado por una variación temporal de su calidad (especialmente bacteriológica).

Materiales y métodos :

Los experimentos se llevaron a cabo el 20 de noviembre de 2017 en el sitio de la empresa SOLABLE en LAMBESC (13) utilizando agua potable extraída de las instalaciones de la empresa en el momento de los experimentos. Es un agua de baja dureza (12°F de media) distribuida con un bajo nivel de cloro libre, inferior a 0,1 mg/l. Por eso hemos añadido cloro a esta agua potable para los experimentos de decloración mediante el proceso LAVIE®. Esta adición se realizó sobre un volumen de 15 litros de agua de red al que añadimos 0,44 ml de una nueva solución comercial de lejía al 3,6%, lo que nos dio un agua con una concentración de cloro libre medida de 1,04 mg Cl-/l. Esta solución “madre” se diluyó a continuación para obtener dos soluciones, una a 0,41 y otra a 0,27, con el fin de mantenerse dentro de los límites recomendados por la OMS. Cada una de estas soluciones se preparó justo antes del inicio de los experimentos. SOLABLE propone un tiempo de exposición de 20 minutos a la luz UV para el uso del proceso LAVIE®. Por lo tanto, realizamos dos pruebas para cada agua estudiada, una a los 15 minutos y otra a los 30 minutos de exposición.

El proceso LAVIE® utilizado para las pruebas es un prototipo de dimensiones comerciales equipado con dos tiras de lámparas LED UVA (6 lámparas por tira, longitud de onda de emisión: 365 nm, consumo de energía: 25,9 W, tensión: 21,6 V, corriente: 1,2 A) capaz de albergar una botella cilíndrica de un litro (diámetro: 80 mm, altura: 280 mm) de vidrio transparente (borosilicato).

La determinación del cloro total se realizó in situ al principio y al final de cada experimento utilizando un clorímetro HANNA H1 711, cuyas características se indican en la Tabla 1. Para verificar la calidad bacteriológica del agua antes y durante los experimentos, así como los niveles de cloro finales, se tomaron muestras de cada experimento y se enviaron inmediatamente al laboratorio SOSCA ANALYSES** (31120, l’Union) siguiendo las recomendaciones de muestreo, envasado y envío dadas por el laboratorio.

Matériel utilisé

Tabla 1: Especificaciones técnicas del clorómetro HANNA HI 711

Resultados :

Desde un punto de vista general, todos los experimentos realizados no mostraron variaciones en la calidad bacteriológica y fisicoquímica del agua tras tiempos de exposición de 15 o 30 minutos en el proceso LAVIE® de la empresa SOLABLE. Los resultados proporcionados por el laboratorio SOCSA no muestran ninguna variación en la calidad bacteriológica del agua ni en sus características fisicoquímicas.

Control de la capacidad de decloración del proceso LAVIE®:
En la figura 1 se presentan los resultados obtenidos en los experimentos realizados con agua con concentraciones iniciales de cloro de 0,41 y 0,27 mg de cloro/l respectivamente para tiempos de exposición de 13 y 30 minutos. Está claro que el proceso LAVIE® tiene una eficacia de decloración de más del 90% a partir de 15 minutos de exposición a soluciones dopadas con cloro y a partir de 15 minutos de exposición a la radiación UVA. Las concentraciones de cloro residual medidas a los 15 y 30 minutos están dentro del límite de detección, dentro del error de medición, del método de dosificación utilizado. Los análisis realizados por el laboratorio SOSCA confirman la ausencia de cloro total y libre a los 15 y 30 minutos en todas las muestras.

Évolution de concentration du chlore

Figura 1: Evolución de la concentración de cloro para tiempos de exposición de 15 y 30 minutos para una solución inicial con 0,41mg/l de cloro (azul) y una solución inicial con 0,27 mg/l de cloro (naranja).

Control de la capacidad de blanqueo del proceso LAVIE®:

La prueba de decoloración del agua LAVIE® se realizó con el agua madre (adicionada con 1,04mg/l de cloro) preparada para las pruebas de decloración tras añadir 6 gotas de solución de azul de metileno por litro de agua. Esta adición se realizó en dos frascos idénticos y uno de ellos se sometió a la radiación UVA durante 30 minutos; las observaciones realizadas se muestran en la figura 2

Suivi de la décoloration d’une eau colorée

Figura 2: Seguimiento de la decoloración del agua coloreada con azul de metileno, en el estado inicial (a) y tras 30 minutos de exposición a los rayos UVA para la botella 2 (b)

Esta prueba muestra claramente que el proceso LAVIE® tiene, además de las capacidades de decloración estudiadas a continuación, claras capacidades de decoloración, contribuyendo así a la mejora de la calidad del agua potable que puede presentar problemas de ligera decoloración.

Conclusión:

Las pruebas realizadas el 20 de noviembre de 2017 sobre el proceso LAVIE® desarrollado por la empresa SOLABLE en agua potable dopada con cloro y coloreada mediante la adición de azul de metileno, demuestran claramente que, sin adición de reactivos ni uso de medios de intercambio iónico o filtración :

  • En cuanto al cloro libre o residual, y para concentraciones que pueden considerarse significativas en relación con las recomendaciones de la OMS, el proceso LAVIE® presenta eficacias cuantitativas de decloración superiores al 90% a partir de 15 minutos de exposición a la radiación UVA
  • Por sus efectos sobre la coloración del agua (un aspecto importante de la calidad del agua, especialmente desde el punto de vista de su percepción social), el proceso LAVIE® tiene, desde un punto de vista cualitativo, capacidades de decoloración que pueden considerarse completas en muestras coloreadas con azul de metileno. Estas observaciones muestran, por tanto, el potencial de oxidación y degradación de las moléculas químicas contenidas en el agua de proceso LAVIE®.

Por último, el uso de rayos UVA proporciona una garantía adicional de que la calidad bacteriológica del agua se mantiene o mejora.

Hecho en Aix en Provence el 06 de diciembre de 2017

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Prof. Dr. Nicolas ROCHE

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