Solución numérica de la ecuación de transferencia de radiación mediante algoritmo Monte Carlo

272 Pages·2017·7.23 MB·Spanish

by  Mercedes Tierno Nicolás

TESIS DOCTORAL

Departamento de Ingeniería Química y Química Física.

SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA DE RADIACIÓN
MEDIANTE ALGORITMO MONTE CARLO EN PROCESOS DE FOTOCATÁLISIS
HETEROGÉNEA. FOTOCATÁLISIS UVA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
POLINUCLEARES.

Mercedes Tierno Nicolás

Conformidad de los Directores de tesis:

Fdo: Francisco Javier Rivas Toledo Fdo: Antonio Hidalgo García

2017

A mis hijos

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo está dedicado a todas aquellas personas que de una manera u otra han
estado a mi lado brindándome apoyo y estima incondicional.

Si olvidas el futuro pierdes el presente.
Indudablemente a mis hijos Tomás y Roberto, sin los cuales habría sido para mí
realizar este trabajo y de los que he aprendido lo más importante…..A vivir!.
Gracias por estar siempre a mi lado y compartir conmigo esta maravillosa vida
imperfecta….Hasta el infinito y más allá!
A mi abuela Mercedes, admirable y luchadora mujer, cuyo cariño me arropó
siempre.
A Enrique, gracias por ayudarme a recuperar mi alma.
A mi madre y a mi padre por su empeño en construir ese futuro, en el que mi madre
estará siempre en el recuerdo y mi padre aún será una parte muy importante.
A mi hermano Juan Antonio, cuyo cariño confianza y empuje, siempre te llevan
hacia delante y no te dejan desfallecer.
A mi querida Gema, siempre tan positiva y cariñosa.
A mis tíos Emilio y Marisa, gracias por transmitirme siempre esa buena energía y
compartir conmigo tanto momentos de alegría como de tristeza. Marisa, eres una
parte muy importante de mi corazón, no hay palabras.
A Emilio e Iris, siempre dispuesto a ayudarme con ese cariño tan sincero…gracias.
Con cariño a Raquel, Rebeca y Juan.
A mis incondicionales, Teresa, José Luis, Mª Carmen y Francis, cuyo cariño y
apoyo va más allá de la amistad, gracias por compartir conmigo fatigas y alegrías.
A mi querida Belén, siempre siempre juntas en la distancia.
A Mar y Cristina con todo mi cariño, por esas terapias y una amistad tan sincera.
Y muy especialmente a mis amigos, Concha, Paco, Gloria, Mar y Santi.
A mis directores de tesis Javier y Antonio, mi más profunda admiración y respeto
por la realización de este trabajo, mi agradecimiento por su valiosa guía y
asesoramiento durante el desarrollo de la tesis, por permitirme trabajar en su
equipo y por todo lo que he aprendido de ellos, espero de alguna manera haber
retribuido de alguna manera su confianza.
Al Departamento de Ingeniería Química y Química Física de la Universidad de
Extremadura por darme la oportunidad de realizar este trabajo y en especial a D.
Fernando Beltrán. A mis compañeros: Samuel, cuya ayuda es muy importante en
este trabajo, a Rafael, Fanny, Diego, Azahara, Ana, gracias por la ayuda que me han
prestado, su paciencia y todo lo que me han enseñado; muy especialmente a
Sagasti por estar siempre dispuesto a resolver esos problemas técnicos una y otra
vez, con buen humor y paciencia. A los profesores: Olga, Eva, Juan F., Javier R.,
Benito, Javier B., Teresa, Juan L, Francisco, Pedro y Ana.
A los que no haya mencionado en estas líneas pero que, de una u otra manera, han
contribuido a que esta tesis sea una realidad.
A todos, gracias!
INDICE
1. RESUMEN ...................................................................................................................................... 7
2. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................... 13
2.1. Hidrocarburos aromáticos policíclicos. ............................................................................13
2.1.1. Definición, estructura y propiedades. ......................................................................13
2.1.2. Origen y Fuentes.......................................................................................................15
2.1.2.1 Formación de PAHs. ............................................................................................16
2.1.2.2. Fuentes de emisión de PAHs al medio ambiente................................................16
2.2. Eliminación de PAHs disueltos en agua. ..........................................................................22
2.2.1. Ozonación .................................................................................................................24
2.2.2. Fotolisis directa ........................................................................................................26
2.2.3. Procesos de oxidación avanzada. .............................................................................27
2.3. Sistemas utilizados en este estudio .................................................................................35
2.3.1. Fotocatálisis heterogénea. .......................................................................................35
2.3.2. Fotocatálisis heterogénea en presencia de OXONE®. ...............................................49
2.4 Modelización y cinética en fotorreactores catalíticos heterogéneos. ..............................57
2.4.1. Modelo de Casano y Alfano (Cassano y Alfano, 2000)..............................................59
2.4.2. Six flux model ...........................................................................................................63
2.4.3. Aproximaciones estadísticas por Monte Carlo. ........................................................68
3. MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES. ...................................................... 79
3.1. Productos químicos utilizados. ........................................................................................79
3.2. Instalación experimental. ................................................................................................80
3.2.1. Reactor fotoquímico. ................................................................................................80
3.3. Métodos analíticos. .........................................................................................................81
3.3.1. Método de análisis de PHAs. ....................................................................................81
3.3.2. Determinación de Fe2+. .............................................................................................84
3.3.3. Determinación de la concentración de OXONE®. .....................................................84
3.3.4. Determinación de cloruro y ácido dicloroacético mediante cromatografía iónica. ..86
3.3.5. Determinación de pH, temperatura y conductividad. ..............................................87
3.4. Procedimiento experimental. ..........................................................................................87
3.4.1. Preparación de disoluciones y patrones. ..................................................................87
3.4.2. Equilibrio de adsorción. ............................................................................................88
3.4.3. Reacciones Fotocatalíticas. .......................................................................................88
3.5. Síntesis de catalizadores basados en BiOI. ......................................................................90
1
3.5.1. BiOI puro. .................................................................................................................90
3.5.2. BiOI/TiO . ..................................................................................................................91
2
4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. .......................................................................................... 95
4.1. Simulación del proceso fotocatalítico por el método de Monte Carlo. ...........................95
4.1.1 Factores previos a la simulación. ...............................................................................95
4.1.1.1. Emisión de radiación de la lámpara UV. ............................................................95
4.1.1.2. Propiedades ópticas del TiO . ...........................................................................96
2
4.1.1.3. Absorción de fotones por el cristal Pyrex. ..........................................................99
4.1.1.4. Función de fase o función de distribución del ángulo de dispersión.................100
4.1.2. Condiciones para la simulación del proceso radiativo mediante el método de Monte
Carlo. ................................................................................................................................104
4.1.3. Descripción matemática de la trayectoria de los fotones.......................................105
4.1.4. Aspectos probabilísticos y geométricos de la simulación. ......................................111
4.1.5. Aspectos computacionales de la simulación. .........................................................114
4.1.6. Determinación del número de fotones a simular. Error estadístico. ......................118
4.1.7. Evaluación del factor de anisotropía g. Trayectorias de los fotones.......................125
4.1.8. Resultados de OVRPA mediante el método de Monte Carlo. ................................133
4.2. Aplicación del OVRPA calculado en la fotocatálisis del ácido Dicloroacético. ...............151
4.3. Fotolisis de hidrocarburos aromáticos polinucleares. ...................................................168
4.4. Fotocatálisis de hidrocarburo aromáticos polinucleares. ..............................................175
4.4.1. Fotocatálisis de PAHs individuales. ........................................................................175
4.4.2. Fotocatálisis de PAHs de forma simultánea. ...........................................................179
4.5. Fotocatalisis de OXONE® en presencia de radiación de 365 nm....................................185
4.5.1 Influencia de la cantidad de dióxido de titanio en la descomposición de Oxone®. .186
4.5.2. Influencia de la concentración inicial de OXONE®. ................................................189
4.5.3. Influencia del pH inicial...........................................................................................194
4.5.4. Influencia de inhibidores de radicales. ...................................................................196
4.5.5. Propuesta de un mecanismo simple de reacciones. ...............................................198
4.6. Fotocatalisis de PAHs en presencia de OXONE®. ...........................................................203
4.6.1. Fotocatálisis de PAHs individuales en presencia de OXONE®. ................................203
4.6.1.1. Influencia de la concentración de fotocatalizador inicial. ................................208
4.6.1.2. Influencia de la concentración inicial de OXONE®............................................212
4.6.1.3. Cinética simplificada del sistema. ....................................................................214
4.6.1.4. Influencia del pH de reacción. ..........................................................................217
2
4.6.1.5 Eliminación de otros PAHs. ...............................................................................219
4.6.2. Fotocatálisis de PAHs en mezcla en presencia de OXONE®. ...................................222
5. CONCLUSIONES. ................................................................................................................... 225
6. BIBLIOGRAFÍA. ...................................................................................................................... 231
7. ANEXOS. .................................................................................................................................... 251

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