NIVEL II Fundamentos del Tratamiento Ultravioleta

NIVEL II Fundamentos del Tratamiento Ultravioleta

NIVEL II
Fundamentos del Tratamiento Ultravioleta
¡Los Términos y Definiciones Sí son Importantes!
Por James R. Bolton
Resumen
En este artículo se presentan los fundamentos de luz UV, incluyendo
la naturaleza de la luz, fuentes de luz a objetos, absorción y transmisión
de luz, y diseño de reactores UV, además de otros términos y definiciones
que se recomiendan.
estándar SI; sin embargo, para aplicaciones de luz ultravioleta y
fotoquímica, λ por lo general se proporciona en nanómetros (nm), con
los factores numéricos apropiados para hacer que el lado izquierdo de
las ecuaciones aparezca en joules (J).
Leyes de la fotoquímica
Introducción
Los fundamentos de luz ultravioleta (UV) y su absorción son los
mismos para cualquier medio (aire, agua o superficie). En este artículo,
voy a suponer que el lector posee un conocimiento limitado sobre la
luz UV; por consiguiente se presentarán cuidadosamente varios términos
y definiciones.* Es importante comprender esto términos fundamentales
para prevenir errores, interpretaciones erróneas y malentendidos.
Las reacciones fotoquímicas son singulares por el hecho de que
son guiadas por la absorción de la luz. Por ejemplo, la desinfección UV
es un proceso que es iniciado por la absorción de fotones UV por bases
de ácido nucleico en el ADN de bacterias y protozoos y por el ADN o
ARN en virus. Hay por lo menos tres “Leyes de la Fotoquímica”** que
se aplican:
Primera ley de la fotoquímica
La luz—¿Una partícula o una onda?
La luz o radiación electromagnética abarca longitudes de onda
que atraviesan por lo menos 15 órdenes de magnitud desde los rayos
gama hasta las ondas de radio. En el siglo 19, se consideraba que la luz
tenía solamente propiedades “semejantes a las de las ondas”; sin
embargo, a finales del siglo 19 y principios del siglo 20 se hizo obvio a
través del trabajo de Planck, Einstein y otros individuos que la luz
también posee propiedades “semejantes a las de las partículas”. Esta
característica es más aparente en el “efecto fotoeléctrico”, con el cual
Einstein pudo explicar los resultados en términos del concepto de la
luz como una corriente de partículas conocidas como “fotones”.
Anteriormente Planck haba podido explicar las propiedades de radiación
del “cuerpo negro” suponiendo que la luz está compuesta de partículas
discretas con una energía inversamente proporcional a la longitud de
onda. Estas dos características de la luz están conectadas en la famosa
“Ley de la Radiación de Planck” como se muestra en las ecuaciones
siguientes:
[1a] u = hv = hc/λ
[1b] U = NAhv = hcNA/λ
donde u es la energía (J) de un fotón, v es la frecuencia (Hz = s-1),
λ es la longitud de onda (m), c es la velocidad de la luz (2.9979 x 108 m
s-1) al vacío, h es la constante de Planck (6.6261 x 10-34 J s), NA es el
número de Avogadro (6.02214 x 1023 mol-1) y U es la energía de un mol
o einstein de fotones. Las unidades aquí utilizadas aparecen en formato
Solamente la luz que es absorbida por una molécula puede ser
efectiva en producir un cambio fotoquímico en esa molécula.
Si la luz (es decir, una corriente de fotones) no es absorbida al
pasar a través de un medio, no puede suceder nada, y no puede inducirse
ninguna reacción fotoquímica. Esta ley se conoce algunas veces como
la Ley de Grotthus-Draper en honor a los trabajos de Grotthus en 1817
y Draper en 1843. Un ejemplo ilustrativo es la molécula de peróxido de
hidrógeno (H2O2). Los fotones con longitudes de onda hasta de 560
nm tienen suficiente energía para disociar el enlace O–O en H2O2; sin
embargo, no ocurre una reacción fotoquímica hasta que se absorbe la
luz por debajo de aproximadamente 300 nm. Esto se debe a que el H2O2
no absorbe suficiente luz por encima de 300 nm.
Segunda ley de la fotoquímica
Cada molécula que es parte de una reacción química causada por
la luz absorbe un cuanto de radiación (fotón), que causa la reacción.
Esta es una consecuencia de la naturaleza de las partículas de la
luz. Esto se conoce algunas veces como regla de reciprocidad. Esto
significa que el rendimiento fotoquímico depende solamente del número
de fotones absorbidos. Esto se conoce algunas veces como Ley de
Stark-Einstein en honor a las obras de Stark y Einstein aproximadamente
en 1912. Así que la cantidad de producto formado o de reactivo
consumido será independiente de la tasa de fluencia siempre y cuando
la fluencia (producto de la tasa de fluencia y del tiempo de exposición)
* Para obtener más antecedentes sobre los fundamentos de las aplicaciones ultravioleta consulte Bolton (2001). Asimismo el recientemente publicado Manual de Guía para la Desinfección Ultravioleta de la USEPA
(USEPA Ultraviolet Disinfection Guidance Manual, en inglés) contiene una excelente discusión de los Fundamentos de la Desinfección UV (USEPA 2003, Apéndice A). Calvert y Pitts (1966) y Wayne (1988) son buenos
libros sobre la fotoquímica.
** Las dos primeras Leyes de la Fotoquímica son muy bien descritas por Calvert y Pitts (1966, p.20); la Tercera Ley es mi propio concepto.
20
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volumen 6, número 1
sea constante. Nótese que no todas las moléculas que absorben un
fotón proceden necesariamente a una reacción fotoquímica. La fracción
de partículas estimuladas que reaccionan se conoce como rendimiento
cuántico. Hay una excepción a esta ley a niveles muy altos de luz (por
ejemplo, un rayo láser potente), donde puede haber una absorción
múltiple de fotones.
Figura 1. Banda espectral de luz. La escala inferior representa la
longitud de onda λ en nm, y la escala superior representa la energía
de fotones U en kJ mol–1
Tercera ley de la fotoquímica
La energía de un fotón absorbido debe ser igual o mayor al enlace
más débil en la molécula.
Esta es una consecuencia de la Ley de Conservación de Energía.
Una reacción química requiere por lo general la ruptura de uno o más
enlaces, de tal manera que si la energía del fotón absorbido es menor
que la energía del enlace más débil, no es posible que haya una reacción
fotoquímica. Un ejemplo es NO2, un gas color café encontrado en el
“smog fotoquímico”. El NO2 absorbe luz hasta aproximadamente 550
nm; sin embargo, solamente la luz absorbida por debajo de 395 nm
tiene suficiente energía para disociar el enlace N–O. Así que la luz
absorbida por encima de 395 nm puede ser solamente convertida a
calor.
definiciones relevantes en aquéllas relacionadas a la fuente de luz y
aquéllas relacionadas a un objeto que está siendo iluminado.
Definiciones de Fuente
Esta sub-banda se extiende de 315 a 400 nm. La luz dentro de
este rango es absorbida por la piel y ocasional en gran parte el
“bronceado solar”.
Potencia Radiante (PΦ) [W]
Esta es la potencia total radiante emitida en todas direcciones desde
una fuente de luz.
Energía Radiante ( Q) [J]
La energía total radiante emitida en todas direcciones desde una
fuente de luz es el integral de la potencia radiante a través del tiempo.
Emitancia Radiante (M) [W m–2 ]
La emitancia radiante es la potencia radiante emitida en todas las
direcciones hacia adelante desde un área diminuta (dA) sobre la
superficie de la fuente dividida por dicha área. La Emitancia radiante es
una medida de la “brillantez” de una fuente.
Intensidad Radiante (I ) [W sr–1 ]
La intensidad radiante es la potencia emitida hacia afuera desde
una fuente a lo largo de una dirección dada en un ángulo sólido con
vértice en el centro de una esfera dΩ (estereoradián). La intensidad
radiante, en un medio no absorbente, es independiente de la distancia
desde la fuente.
UVB
Definiciones de Interés
Esta sub-banda se extiende de 280 a 315 nm. La luz dentro de
este rango es también absorbida por la piel pero ocasiona “quemaduras
solares”.
Irradiación ( E ) [W m–2 ]
La irradiación es la potencia total radiante de todas las longitudes
de onda que pasan por todas las direcciones incidentes hacia un área
infinitamente pequeña dA, dividida por dA. A menudo se utilizan las
unidades mW cm–2 (= 10 W m –2). La irradiación se mide con un
radiómetro, y el término es apropiado para cualquier situación donde
la superficie esté siendo irradiada (por ejemplo, en la curación UV).
Tasa de Fluencia (E ) [W m–2 ]
La tasa de fluencia es la potencia total radiante de todas la
longitudes de onda que pasan de desde todas las direcciones incidentes
hacia una esfera infinitamente pequeña de área transversal dA, dividida
por dA. A menudo se utilizan las unidades mW cm–2 (= 10 W m–2). Este
es el término apropiado para la desinfección UV porque un
microorganismo en el aire o el agua puede recibir fotones UV desde
varias direcciones diferentes, particularmente en situaciones donde hay
varias lámparas UV. La tasa de fluencia es la suma de las contribuciones
de irradiación de cada una de las lámparas UV.
La tasa de fluencia y la irradiación (ver Figura 2) son a menudo
confundidas y utilizadas erróneamente. A menudo, el término intensidad
UV es utilizado [como lo hace el recientemente publicado Manual de
Guía para la Desinfección UV de la USEPA (US EPA UV Disinfection
Guidance Manual) (USEPA, 2003)]. Sin embargo, el término “intensidad
UV” no distingue entre “tasa de fluencia” e “irradiación”; por lo tanto,
no se promueve su uso, a no ser que uno desee expresar una evaluación
Rangos de interés de las longitudes de onda espectrales
La Figura 1 muestra que el rango de luz ultravioleta es de 100 a
400 nm [un nanómetro (nm) equivale a 10–9 metros (m)]. “Ultravioleta”
significa más allá del límite de “violeta” (400 nm) del rango visible que
se extiende hasta los 700 nm. El rango ultravioleta se divide en cuatro
sub-bandas:
UVA
UVC
Esta sub-banda se extiende de 200 a 280 nm. La luz dentro de
este rango es absorbida por el ADN en la piel y es la causa principal de
cáncer de la piel. Este rango es también absorbido por ADN y ARN en
los microorganismos y causa su desactivación al restringir la habilidad
de estos organismos de replicarse.
Ultravioleta de Vacío
Esta sub-banda se extiende de 100 a 200 nm. Se conoce como
“UV de vacío” ya que la luz UV dentro de este rango es fuertemente
absorbida por el agua o el oxígeno en el aire. Por ejemplo, una lámpara
UV de baja presión con una manga de cuarzo muy puro emite a 185
nm. Esta luz es absorbida en unos cuantos cm por oxígeno en el aire y
lleva a la generación de ozono (O3).
Algunos términos y definiciones
La Comisión de Fotoquímica de la Unión Internacional de Química
Pura y Aplicada (IUPAC, en inglés) ha elaborado un conjunto de términos
y definiciones recomendadas para la desinfección ultravioleta y
aplicaciones fotoquímicas (Bolton, 2000). Este artículo divide las
volumen 6, número 1
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21
Figura 2. (a) Irradiación, donde los rayos chocan contra un elemento
diminuto de superficie dA; (b) Tasa de fluencia, donde los rayos
pasan a través de una esfera diminuta de área transversal dA.
distribución angosta sobre una longitud de onda l central.
La absorbancia es una cantidad muy importante porque es
directamente proporcional a las concentraciones de componentes
absorbentes, es decir:
[3] A =
Σ εcl
i i
i
cualitativa. Por ejemplo, uno puede decir que la intensidad UV de una
lámpara UV de mediana presión es mucho mayor que la de una lámpara
UV de baja presión a la misma distancia.
Fluencia (H ′ ) [J m–2 ]
La fluencia es la energía total radiante de todas las longitudes de
onda que pasan de todas las direcciones incidentes a una esfera
infinitamente pequeña de área transversal dA. A menudo se utilizan las
unidades mJ cm–2 (= 10 J m–2). La tasa de fluencia integrada con
respecto al tiempo nos da la fluencia.* Si la tasa de fluencia es constante
a través del tiempo, la fluencia (J m–2) es el producto de la tasa de
fluencia (W m–2) y el tiempo de exposición (s). En una gran parte de la
literatura actual, el término dosis UV es utilizado para fluencia. “Dosis
UV” no es un término apropiado porque la palabra “dosis” implica una
absorción completa, como en la exposición UV de la piel. Sin embargo,
un microorganismo común absorbe menos de 1 por ciento de los
fotones incidentes UV, ya que es tan pequeño. No obstante, el término
“dosis UV” es ampliamente usado, particularmente en Norte América.
Quizás la razón sea que los ingenieros sienten que el término “dosis
UV” es más intuitivo que “fluencia”.
donde εi es el coeficiente de absorción molar (M–1 cm–1) del
componente i y ci es la concentración (M = mol L–1) del componente i.
A menudo se confunden los términos absorbancia y coeficiente
de absorción. Por ejemplo, el Manual de Guía para la Desinfección
Ultravioleta de la USEPA (Ultraviolet Disinfection Guidance Manual)
(USEPA, 2003, p. A-8) (UVDGM) define la absorbancia a 254 nm de la
manera siguiente:
A254 = absorbancia UV a una longitud de onda específica, basada
en una longitud de paso de 1 cm (sin unidades; absorción de la forma
que se mide por el Método Estándar 5910B)
Lo anterior no está correcto. Aparentemente el UVDGM utiliza esta
definición porque esta es la manera en que se define típicamente la
absorbancia para cuestiones de tratamiento del agua y porque en casi
todos los casos se utiliza una celda de 1 cm para medir la absorbancia
UV. Sin embargo, es lamentable que no hayan definido A 254
correctamente como el coeficiente de absorción con unidades de cm–1.
Como se define, A254 ciertamente no es un coeficiente sin unidades.
Es importante especificar la longitud de paso para la transmisión,
ya que sin dicha especificación, no está definida la transmisión. Algunas
veces la longitud de paso (en mm) es adjuntada como un subscrito,
por ejemplo, T10 significa la transmisión para una longitud de paso de
10 mm (1 cm).
Absorción y transmisión
Factores que afectan el rendimiento de los reactores UV
Un reactor UV es un espacio definido que contiene lámparas UV.
Cuando la luz pasa a través de un medio absorbente, es distribuida
Al
ser
utilizado para tratamiento del agua, el reactor puede UV puede
en tres partes: la fracción absorbida, la fracción transmitida y la fracción
ser
un
espacio cerrado o un canal abierto, donde la superficie superior
dispersada. En la mayoría de los casos (donde la turbidez es baja), la
del
agua
está abierta al aire. Los reactores UV para tratamiento del aire
dispersión puede ser ignorada, como lo haremos aquí.
son
casi
exclusivamente
reactores de espacio cerrado.
Ley de Beer-Lambert, Transmisión, Coeficiente de Absorción y
El
rendimiento
de
los
reactores UV puede ser expresado ya sea
Absorbancia
como
la
fluencia
(dosis
UV)
emitida o como la proporción de la
Considere la Figura 3, donde un rayo de luz de longitud de onda λ
concentración
de
efluente
a
influente
de un contaminante. El rendimiento
o
ingresa con una irradiación E en un medio absorbente con una longitud
depende
de
varios
factores:
l
de paso l cm y emerge con una irradiación E . Estas dos irradiaciones
1. El coeficiente de absorción o transmisión del medio (ejemplo,
están conectadas por la Ley de Beer-Lambert:
aire
o agua)—este es probablemente el factor más importante.
1
[2a]
E
T = — = 10-A = 10-al
Generalmente,
mientras aumenta el coeficiente de absorción (cm–1 o
Eo
m–1) (disminuye la transmisión) la fluencia (dosis UV)
o
que puede ser emitida por un reactor un flujo dado
Figura 3. La transmisión de un rayo
[2b]
E1
log (T) = log — = –A = –al
de luz de longitud de onda λ con una disminuye. La Figura 4 (tomada de Bolton et al. 2001)
Eo
irradiación incidente E o a través de un ilustra la manera en que el rendimiento se deteriora
cuando por cientoT10 disminuye para un reactor UV
donde T es la transmisión , a [cm–1] es el medio con longitud de paso l y que
anular. Esta curva es igualmente pertinente para
coeficiente de absorción (decádico),** A es la emerge con una irradiación E l .
reactores más complejos.
absorbancia (sin unidades) y l es la longitud de
El por cientoT del medio es también importante
paso [cm]. Estos también pueden basarse en un
en el diseño de reactores UV. La Figura 5 (tomada de
metro (como se hace en casi todo el mundo con
El
Eo
Bolton et al. 2001) ilustra lo rápido que la fluencia UV
excepción de Norte América). Por lo tanto, el
(irradiación) disminuye con la distancia como función
coeficiente de absorción se expresa en unidades
del por cientoT del medio. Para los reactores de agua
de m–1. Nótese que 1 cm–1 = 100 m–1.
potable, donde por cientoT10 es a menudo >90 por
Nótese que las ecuaciones 2 se aplican
ciento, la profundidad de penetración es bastante
solamente para rayos monocromáticos con una
l
* La irradiación integrada con respecto al tiempo nos da la exposición radiante.
** Además hay un coeficiente de absorción (neperiano) (símbolo a) que es utilizado cuando “e” reemplaza al “10” en la ecuación 2a.
22
A G U A
L A T I N O A M É R I C A
volumen 6, número 1
Profundidad del agua (cm)
desde la manga de cuarzo
Fluencia (dosis UV) / Jm–2
Figura 4. Volumen promedio de fluencia en el reactor
grande (8–12 cm), por lo que los
Referencias
UV reactor como función del porcentaje de
reactores deberán ser diseñados para
1. Bolton, J.R. (2000) Terms and
transmisión del agua. La fluencia en el eje derecho ha
que las lámparas estén relativamente
Definitions in Ultraviolet Disinfection”,
sido calculada para un flujo de 50 gpm. La línea de
separadas y las paredes no estén
in Proceedings, Disinfection 2000:
puntos corresponde a una norma mínima común de
demasiado cerca de las lámparas
Disinfection of Wastes in the New
fluencia para una desinfección segura.
exteriores. En contraste, el agua
Millennium, 15–18 March 2000, New
600
residual tiene valores de por cientoT10
Orleans, LA, Water Environment
500
Federation, 601 Wythe St., Alexandria,
que son 40–60 por ciento o menos.
VA, 22314 - 1994.
Aquí las profundidades de penetración
400
son solamente de 1 a 2 cm. Así que
2. Bolton, J.R. (2001) Ultraviolet
300
los reactores deberán ser diseñados
Applications Handbook, 2nd Ed., Bolton
200
con las lámparas relativamente cerca
Photosciences Inc., 628 Cheriton
una de la otra y las paredes cerca de
100
Cres., NW, Edmonton, AB, Canada T6R
las lámparas exteriores.
2M5.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2. Número y potencia de las
3. Bolton, J.R., Stefan, M.I., Cushing,
%T10
lámparas UV —generalmente, la
R.S. and Mackey, E. 2001. The
fluencia (dosis UV) que se produce
Figura 5. La profundidad de penetración UV (de la
Importance of Water Absorbance/
aumenta linealmente con la potencia
manga de cuarzo) versus porcentaje de transmisión
Transmittance on the Efficiency of
aplicada a las lámparas UV, aunque
(por cientoT10). La curva roja es para la profundidad
Ultraviolet Disinfection Reactors, Proc.
esto no es cierto cuando, por ejemplo,
de penetración a la cual la fluencia ha descendido un
First International Congress on
una lámpara de baja presión es
99 por ciento de su valor en la manga de cuarzo. La
Ultraviolet Technologies, June 2001,
reemplazada por una lámpara de
curva azul corresponde a 95 por ciento del descenso.
Washington, DC. CD/ROM published
mediana presión porque la eficiencia
32
by the International Ultraviolet
UVC de la última es menos de la mitad
28
Association, P.O. Box 1110, Ayr, ON,
Disminución de uno por ciento
de la eficiencia de la otra.
24
Canada N0B 1E0.
Disminución de cinco por ciento
3. Tasa de Flujo—generalmente,
20
4. Calvert, J.G. and Pitts, J.N. (1966)
la fluencia (dosis UV) disminuye al
16
Photochemistry, Wiley, New York.
mismo tiempo que aumenta el flujo
12
porque el tiempo de residencia en el
8
5. USEPA (2003), Draft Ultraviolet
reactor es inversamente proporcional
4
Disinfection Guidance Manual, USEPA
al flujo. Sin embargo, esta
0
Report No. 815-D-03-007 http://
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
dependencia a menudo no es lineal
www.epa.gov/safewater/lt2/pdfs/
Porcentaje de transmisión del agua
porque la eficiencia de mezcla mejora
guide_lt2_uvguidance_draft.pdf.
a flujos altos.
6. Wayne, R.P. (1988) Principles and Applications of Photochemistry,
4. Eficiencia de Mezcla—esto se define como la proporción de
Oxford University Press, Oxford, UK.
fluencia verdadera (dosis UV) que se produce a un flujo dado a la fluencia
teórica máxima (dosis UV) asumiendo una mezcla radial perfecta cuando
Acerca del autor
el aire o el agua pasa a través del reactor. Lo último puede determinarse
James R. Bolton es el Director Ejecutivo de la International Ultraviolet
calculando el volumen promedio de fluencia (usando un modelo
Association.
Contacto: 628 Cheriton Cres., NW, Edmonton, AB,
matemático apropiado) y multiplicándolo por el tiempo de residencia
Canada
T6R
2M5.
Correo Electrónico: [email protected]
en segundos.
5. Reflexión—La luz UV (200–300 nm) reflejada por las paredes
del reactor de vuelta al reactor puede mejorar el rendimiento de manera
significativa, ya que toda esta luz UV no queda perdida en las paredes.
El aluminio tiene el mejor coeficiente de reflexión (>95 por ciento)
mientras que para el acero inoxidable éste es solamente 25 por ciento
y para la madera es cero.
Conclusiones
Este artículo ha tratado de presentar los fundamentos de la luz
ultravioleta en su aplicación a los reactores UV para el tratamiento de
aire y agua. Es importante utilizar términos y unidades debidamente
definidos, para que los lectores puedan tener una visión clara de los
conceptos que se están presentando.
Una buena fuente de referencia sobre la luz UV es la lista de
referencia mantenida en IUVA e-News, el boletín informativo de la
Asociación Internacional Ultravioleta (visite http://www.iuva.org para
mayores detalles).
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