Secciones
- El proceso de reducción catalítica selectiva (RCS)
- La RCS aplicada al tratamiento de aguas residuales
- Descripción del proceso RCS aplicado al tratamiento de efluentes
- Conclusiones
El proceso de reducción catalítica selectiva (RCS)
La emisión de óxidos de nitrógeno resulta muy peligrosa para la salud, ya que afecta a los aparatos respiratorios de personas y animales, pudiendo llegar a producir enfermedades respiratorias y cardiovasculares por su carácter ácido. Además, una vez son emitidos pueden dar origen a otros contaminantes secundarios. Las reacciones producidas en la atmósfera por estos compuestos son muy complejas, e intervienen radicales como OH y O₃.
Los óxidos de nitrógeno (NOx) se encuentran presentes en los gases de escape de calderas, motores diésel, plantas de generación de energía y procesos industriales, entre los que merecen especial mención:
- Industria Energética: Plantas termoeléctricas y de cogeneración.
- Motores Diésel: Vehículos de carga, maquinaria pesada y barcos.
- Cementeras y Metalurgia: Emisiones en hornos y calderas.
- Química y Petroquímica: Formación de NOₓ en refinerías y procesos de combustión.
Estos compuestos contribuyen en forma importante en la contaminación atmosférica y son causantes de los siguientes efectos nocivos:
- La destrucción del O₃ de la atmósfera
- La contribución al efecto invernadero
- La producción de lluvia ácida
- Contaminación por el tráfico (Smog)
La reducción catalítica selectiva (SCR) es un proceso utilizado para convertir óxidos de nitrógeno (también conocidos como NOx) en nitrógeno diatómico (N₂) y agua. Esto se consigue con la ayuda de un agente reductor, habitualmente amoníaco (NH₃), (NH₄OH), o urea (CO(NH₂)₂), que se añade a la corriente de humos o gases de escape contaminados y se hace reaccionar con un catalizador. En caso de usar urea, se producen nitrógeno (N₂) y dióxido de carbono (CO₂).
Un sistema SCR se compone básicamente de:
- Agente reductor: El amoníaco, en forma NH₄OH, o la urea son vaporizados, y diluidos con aire para ser inyectados directamente en la corriente de gases a tratar, a través de un distribuidor.
- Reactor catalítico Es la cámara en la que se produce la reacción de los NOₓ con el catalizador. El catalizador está compuesto de sales de titanio (TiO₂), tungsteno (WO₃), o de vanadio (V₂O₅). También se pueden utilizar zeolitas impregnadas de cobre, o de hierro.
Principio de Funcionamiento
La reducción catalítica selectiva emplea un agente reductor, generalmente amoníaco (NH₃) o una solución de urea (NH₂CONH₂), que reacciona con los óxidos de nitrógeno en presencia de un catalizador. La reacción química principal es:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O/p>
También puede ocurrir la siguiente reacción:
6NO2+8NH3→7N2+12H2O6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O6NO2+8NH3→7N2+12H2O
El proceso es altamente eficiente, logrando reducir hasta un 90% de los NOₓ presentes en los efluentes gaseosos.
La RCS aplicada al tratamiento de aguas residuales
La reducción catalítica selectiva (SCR) es ampliamente utilizada en el tratamiento de emisiones de óxidos de nitrógeno y, aunque es menos común, también existe una tecnología basada en la catálisis selectiva en el tratamiento de aguas residuales, que se emplea para la degradación de compuestos nitrogenados y orgánicos refractarios.
En el caso de las aguas residuales que contienen altas concentraciones de NOx, el proceso de reducción catalítica selectiva (RCS) está diseñado para reducir estos compuestos mediante la inyección de amoníaco (NH₃), en presencia de un exceso de oxígeno (O₂) y un catalizador adecuado. Como resultado, los NOx se transforman en compuestos inocuos como nitrógeno (N₂) y vapor de agua (H₂O).
La eliminación de NO₃⁻ y NO₂⁻ (Desnitrificación) es necesario en las aguas residuales industriales y municipales que contienen un exceso de nitratos y nitritos y pueden provocar eutrofización en el vertido. Para ello, se emplea la reducción catalítica heterogénea, en la cual un catalizador (generalmente basado en metales como platino, paladio o cobre) facilita la reducción de los nitratos a nitrógeno molecular (N₂), evitando la formación de amoníaco (NH₃), que es otro contaminante a evitar en el vertido.
- Reacción química principal: NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2O
También se pueden utilizar fuentes de hidrógeno (H₂) o agentes reductores como ácido fórmico o ácido acético.
Ventajas
- Alta eficiencia en la eliminación de nitratos y nitritos.
- No genera residuos secundarios peligrosos.
- Proceso rápido y estable en comparación con tratamientos biológicos.
- Puede aplicarse en combinación con otros tratamientos, como filtración y adsorción.
Desventajas
- Requiere catalizadores específicos, que pueden ser costosos.
- Dependencia de condiciones controladas de pH y temperatura.
- Coste de un agente reductor (H₂, ácidos o peróxidos).
- Posible desactivación del catalizador con el tiempo debido a incrustaciones o contaminación.
Eliminación de Compuestos Orgánicos Persistentes (COPs) y Contaminantes Emergentes
Algunos efluentes contienen compuestos que son difíciles de degradar con procedimientos biológicos convencionales, como pueden ser los procedentes de la industria farmacéutica, pesticidas, fenoles y colorantes. La oxidación catalítica selectiva (similar al proceso SCR) utiliza catalizadores metálicos y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) u ozono (O₃) para descomponerlos.
Descripción del proceso RCS aplicado al tratamiento de efluentes
Un proceso de tratamiento de efluentes mediante reducción catalítica selectiva consta de las siguientes etapas:
Pretratamiento del efluente
Consistente en:
- Una separación previa de sólidos por tamizado o filtración.
- Un ajuste de pH (6,5 – 8,5) con álcali o ácido.
- Un control de temperatura (10 – 50 ºC) mediante un intercambiador de calor, si es preciso.
Inyección del agente reductor
Se utilizan:
- Hidrógeno (H₂) para catalizadores metálicos como platino o paladio.
- Ácido fórmico (HCOOH) o ácido acético (CH₃COOH), que son empleados con catalizadores de cobre o plata.
- Carbohidratos o etanol, que se utilizan en procesos con biocatalizadores.
Reactor catalítico
Dentro del reactor catalítico, los nitratos (NO₃⁻) y nitritos (NO₂⁻) reaccionan con el agente reductor en presencia de un catalizador, cuya función es acelerar la conversión de los compuestos nitrogenados en nitrógeno molecular (N₂), el cual se libera a la atmósfera.
Materiales comunes del catalizador:
- Metales nobles: Platino (Pt), paladio (Pd), rodio (Rh).
- Metales de transición: Cobre (Cu), hierro (Fe), níquel (Ni), plata (Ag).
- Soportes cerámicos: Óxido de titanio (TiO₂), alúmina (Al₂O₃), zeolitas.
Reacciones principales:
NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2ONO2−+H2→N2+H2ONO₂⁻ + H₂ → N₂ + H₂ONO2−+H2→N2+H2O
Separación de Productos y Filtración Final
Después del tratamiento catalítico, pueden generarse productos coloidales o precipitados, los cuales pueden ser eliminados mediante los siguientes procesos:
- Filtros de arena o carbón activado
- Centrífugas o sedimentadores
Tratamiento de efluentes con NOx y SO₂
Las aguas residuales que contienen nitratos (NO₃) y dióxido de azufre (SO₂), pueden ser tratadas mediante reducción catalítica selectiva. Esta tecnología ofrece excelentes resultados cuando se desea reducir las concentraciones de NO₃ y SO₂, dos contaminantes comunes en aguas residuales del sector agrícola y de distintos sectores industriales.
La línea de tratamiento es similar a la descrita para el tratamiento de los NOx, pero se ha de tener en cuenta la presencia SO₂, del que pueden derivar compuestos como el H₂SO₄ y (NH₄)₂SO₄. Estos compuestos pueden ser problemáticos para las instalaciones por su elevada corrosividad, y para el proceso de catálisis, al poderse obstruir el lecho de material catalizador.
Reducción de dióxido de azufre (SO₂) a sulfuro (S):
Durante el proceso de reducción de SO₂, el dióxido de azufre se transforma en sulfuro elemental u otros compuestos sulfurados menos peligrosos.
- El proceso típico de reducción catalítica pasa el SO₂ a azufre elemental.
- El catalizador ayuda a facilitar la reducción, y se puede usar un metal base como el níquel o el cobre.
- Se debe controlar la temperatura y la concentración de reactivos para evitar la formación de compuestos indeseados, como el ácido sulfúrico (H₂SO₄).
Ventajas
- Alta eficiencia. Se trata de un proceso eficiente con un rendimiento depurativo >90%.
- Reacciones selectivas y controladas. Es factible reducir las concentraciones de NO₃ y SO₂ sin afectar significativamente a otros compuestos presentes en el agua residual.
- Recuperación de productos valiosos: El azufre obtenido puede ser recuperado y utilizado en otros procesos industriales.
Inconvenientes
* Costos de operación: Los costes de operación y mantenimiento pueden ser elevados debido al uso de catalizadores específicos y reactivos.
* Sustitución del catalizador: Con el paso del tiempo, los catalizadores pierden su efectividad, por lo que pueden necesitar regeneración o sustitución.
* Control del proceso: Se requiere un control estricto de temperatura, pH y concentración de reactivos para obtener la eficiencia esperada de la RCS.
Conclusión
La presencia de NOx en las emisiones gaseosas y en los vertidos ha de ser tratada para eliminar el riesgo que suponen para la salud y cumplir con los límites legales.
Gran parte de las emisiones de NOx a la atmósfera proceden de procesos industriales y de la producción de energía.
La reducción catalítica selectiva (SCR) es un método eficiente para disminuir los óxidos de nitrógeno (NOx) en las emisiones industriales, mediante el uso de un catalizador y un agente reductor como la urea o el NH₃. Con este tratamiento, los NOx se transforma en nitrógeno y vapor de agua, minimizando su impacto ambiental.
Aunque esta tecnología es más conocida por el tratamiento de emisiones gaseosas, también es ampliamente utilizada para la reducción de NOx y compuestos orgánicos recalcitrantes presentes en las aguas residuales. Este sistema integra un conjunto de tecnologías avanzadas que incluyen reactores catalíticos, sistemas de dosificación, equipos de mezcla y filtración, además de sensores de monitoreo. Su correcta integración permite una eliminación eficiente de contaminantes nitrogenados y orgánicos.
Para el caso de la reducción de nitratos (NO₃⁻) y nitritos (NO₂⁻), la RCS convierte los compuestos nitrogenados en nitrógeno molecular (N₂), evitando su acumulación en el agua y previniendo problemas ambientales como la eutrofización.
En presencia de SO₂, se debe tener cuidado con el diseño del proceso para impedir el atascamiento y deterioro de la instalación por la posible formación de H₂SO₄, o la de (NH₄)₂ SO₄. Se deben disponer los catalizadores adecuados y un control riguroso de las condiciones de operación.
Bibliografía y consultas
Reducción catalítica selectiva (RCS) | Condorchem Enviro Solutions
Reducción Catalítica Selectiva _ AcademiaLab
NOx | Reducción Catalítica Selectiva (SCR) | Tratamiento emisiones NOx | Condorchem Enviro Solutions