Procesos de oxidación avanzada (POA)

Cómo la cavitación forma radicales hidroxilo

La cavitación hidrodinámica (CH) convierte una caída de presión en química oxidante. Cuando el líquido atraviesa una constricción, como un venturi o una placa de orificio, la presión local cae por debajo de la presión de vapor; se forman cavidades llenas de vapor que crecen y luego colapsan violentamente cuando la presión se recupera.

Un proceso de oxidación avanzada (POA) es todo tratamiento que genera radicales hidroxilo para degradar contaminantes, y la CH es una de las vías para obtenerlos. El colapso de cada cavidad es casi adiabático, de modo que la energía se concentra en un volumen diminuto durante un instante. Las revisiones estiman temperaturas locales de 5.000–15.000 K y presiones de 1.000–5.000 atm (unos 100–500 MPa) dentro de las cavidades en colapso Wang et al., 2022; Warade et al., 2023.

En esas condiciones, el vapor de agua atrapado en la cavidad se disocia por efecto del calor (pirólisis) en átomos de hidrógeno y radicales hidroxilo: H₂O → •H + •OH Mohod et al., 2023; Wang et al., 2022. El radical hidroxilo pertenece a las especies reactivas de oxígeno (ERO) y es un oxidante no selectivo.

Cómo se degradan los contaminantes

En los trabajos revisados, moléculas complejas como los colorantes textiles (por ejemplo, la rodamina B) y los residuos farmacéuticos se degradaron por dos vías. La vía que actúa depende de si el contaminante es lo bastante volátil para ingresar en la cavidad.

1. Pirólisis dentro de la cavidad. Los contaminantes volátiles que ingresan en la burbuja de cavitación se descomponen por el calor del colapso, que rompe enlaces covalentes fuertes de su estructura Wang et al., 2022.
2. Ataque radicalario y cizallamiento fuera de ella. Los contaminantes no volátiles se concentran en la interfaz gas–líquido o permanecen en el seno del líquido, donde los atacan los radicales •OH liberados en el colapso. El colapso también produce ondas de choque y microchorros cuya turbulencia y cizallamiento fragmentan moléculas grandes y reducen la resistencia a la transferencia de masa, lo que deja a los contaminantes más expuestos a la oxidación Yeneneh et al., 2024; Wang et al., 2022.

Combinación de la cavitación con ozono

En los estudios revisados por Wang et al., 2022, la CH combinada con ozono (O₃) superó a cada proceso por separado. El índice de sinergia, que compara el proceso combinado con los procesos individuales, por lo general osciló entre 1 y 4 y en algunos casos superó 10, según el contaminante y las condiciones de operación.

Dos mecanismos explican esa mejora.

• Transferencia de masa. El ozono se disuelve poco en el agua, y su transferencia de masa del gas al líquido enfrenta una resistencia elevada. La turbulencia y la microcirculación de la cavitación fragmentaron el ozono gaseoso en microburbujas, lo que aumentó el área interfacial y la disolución; la dosis de ozono necesaria bajó entre aproximadamente un tercio y la mitad Wang et al., 2022.
• Generación de radicales. Dentro de las burbujas de cavitación, el ozono se descompone a temperaturas más bajas que el agua y forma oxígeno atómico y oxígeno molecular (O₂). El oxígeno atómico reacciona con el agua y forma radicales hidroxilo: O(³P) + H₂O → 2•OH Wang et al., 2022.

Esta conversión continua del ozono mantuvo disponibles radicales •OH para contaminantes persistentes como el plaguicida triazofós y los colorantes, con velocidades de degradación mayores que las de la ozonización sola Mohod et al., 2023.

Velocidades de reacción reportadas

En las comparaciones que recopilaron las revisiones, el proceso combinado fue más rápido que los procesos individuales.

• Aguas residuales con colorantes. Con el Azul Reactivo 13, la CH combinada con ozono logró la decoloración completa en 15 minutos y una reducción del 72 % del COT en 120 minutos; los procesos individuales necesitaron bastante más tiempo para alcanzar resultados comparables Wang et al., 2022.
• Velocidad de degradación. Para la combinación de ozono y CH se reportó una velocidad de degradación de hasta 915,94 × 10⁻³ min⁻¹, muy por encima de las velocidades de las operaciones unitarias por separado Mohod et al., 2023.

El color y el carbono avanzaron a ritmos distintos. El colorante perdió su color en 15 minutos, mientras que el COT, una medida del carbono orgánico que todavía queda en el agua, había bajado un 72 % a los 120 minutos. Por lo tanto, la pérdida de color no equivale a la remoción del carbono orgánico.

Rendimiento energético y costo

En la comparación reportada por Mohod et al., 2023, la CH aprovechó la energía mejor que la cavitación acústica. El rendimiento cavitacional expresa la masa de contaminante degradada por cada joule aplicado. Con el metilparatión, la CH alcanzó 4,44 × 10⁻⁶ mg/J, frente a 2,098 × 10⁻⁷ mg/J de la cavitación acústica.

Las revisiones también describen la combinación de CH y ozono como más rentable que los procesos individuales: una oxidación más intensa reduce la dosis de oxidante y, con ella, el costo del tratamiento y la demanda de energía. Presentan la combinación como una opción candidata para el tratamiento de efluentes industriales a gran escala Yeneneh et al., 2024; Wang et al., 2022. Las fuentes aquí resumidas no indican un costo por metro cúbico, de modo que la comparación sigue siendo cualitativa.