MICRONANOBURBUJAS Y SU USO EN TRATAMIENTO DE AGUAS
Sarita Jackeline Romani Vasquez
Egresada de Biología.
23 junio 2020
Imagen: Salmonexpert
En recientes años, la tecnología de las micro-nanoburbujas ha llamado la atención debido a sus amplias aplicaciones en muchos campos de la ciencia y la tecnología, como son el tratamiento de agua, ingeniería de biomedicina y los nano-materiales (1,10). En los tratamientos de agua residuales se ha convertido en una tarea difícil debido al aumento continuo en la cantidad y el cambio en características de las materias orgánicas poco biodegradables y altamente coloreadas, así como la presencia de microorganismos dañinos (2). Actualmente hay nuevas técnicas para tratamientos de aguas residuales, entre ella se encuentran el uso de las micro-nanoburbujas (1).
Para entender este pequeño mundo debemos discutir la base física y su comportamiento. El tamaño que presentan las microburbujas son de 10–50µm, mientras que las nanoburbujas son < 200 nm. (1) Cada una debido a su pequeño tamaño presenta cualidades que las diferencian de las burbujas convencionales. Una de ellas es la velocidad de subida (10); por ejemplo, imaginemos que agitamos una botella con agua y si prestamos atención observaremos como las burbujas de mayor tamaño se elevan hacia la superficie mucho más rápido que las de menor tamaño, este fenómeno está representado en la ecuación de Stokes, la cual nos indica que la velocidad de subida hacia la superficie por parte de una burbuja depende de su diámetro, es decir si el diámetro es muy pequeño la velocidad de subida será muy lenta. (10)
En el caso de las micronanoburbujas (MBs) en consecuencia al “estancamiento que se genera debido a su lenta velocidad de subida” (1,10), empieza a decrecer más y más debido al intercambio de gases con el medio líquido, desapareciendo finalmente. Mientras que las nanoburbujas (NBs), pueden mantenerse durante meses y no explotan de inmediato. (1) Investigaciones recientes revelan que la interface gas-líquido de las NBs consisten en puentes de hidrógenos similares a los encontrados en el hielo e hidratos de gas que impiden la difusión de gases y su estabilidad a las altas presiones. (7)
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Figura 1. Diagrama esquemático muestra las macro, micro y nanoburbujas (8)
Debido a su baja velocidad de subida (10), se han podido realizar estudios de su comportamiento y la capacidad de interacción de las burbujas con otros materiales como partículas sólidas, gotas de aceites. (6) Una de las propiedades que permite la interacción de las burbujas con otros materiales es la carga negativa que presenta estas micro burbujas. (10) Según el experimento de Takahashi (6) desarrollado en agua destilada; las micro burbujas independiente de su diámetro presentaban una carga negativa de -35mV. (1) Muchas investigaciones indican que se debe a la atracción de los iones OH- frente a los H+ o por la orientación de la molécula del agua en donde los átomos de hidrógeno se posicionan alrededor de la fase acuosa mientras que el átomo de oxígeno se posiciona en la fase gaseosa, permitiendo la atracción de aniones. (6)
Por otro lado, el incremento de la presión interna de las microburbujas de acuerdo a la ecuación de Young-Laplace señala que las burbujas de 1µm a 298 K, la presión interna es cerca de 390 kPa esto es cuatro veces más que la presión atmosférica. (1) Debido a la velocidad de incremento de la presión interna de MBs aumenta el movimiento molecular hacia su alrededor, llegando finalmente a colapsar. Este proceso de incremento de presión interna genera un aumento de temperatura generado por el movimiento molecular. (1,9) Durante el colapso de la burbuja y debido a la energía que libera; llegan a formarse radicales libres como los OH. (1,6)
El uso de radicales libres como los OH- permite la descomposición de componentes tóxicos como los fenoles debido a su poder oxidante. (6,8) En ese contexto, las microburbujas presentan una gran estrategia para el tratamiento de aguas. Durante un experimento, una solución de fenol con 1.5mM fue sujeta a MBs de aire en la cual se determinó un 30% de la descomposición de fenol. (1,8) Esto es debido a que los radicales hidroxilos reaccionan rápidamente con los componentes disueltos. (6)
En un estudio de Sumikura (5), que evaluaban la capacidad de un sistema de ozonización con micro burbujas para la reutilización de aguas residuales. En el cual se observó una capacidad de desinfección mejorada debido a la presencia de las microburbujas. (5) El mejoramiento con el uso de las microburbujas es debido a que el ozono es un oxidante fuerte y que uno de los problemas que tiene es la baja transferencia gas-líquido, pero cuando se utiliza las microburbujas conteniendo el ozono esta capacidad de transferencia gas-líquido incrementa debido a sus características como la baja velocidad de subida que presenta estas estructuras, la cual permite una transferencia de gas-líquido. (3,1,9) Por otro lado, el proceso de ozonización además del ozono necesita que el ambiente presente un pH alto debido a que el ozono se descompone parcialmente en radicales OH. (4) Cuando aumenta el valor de pH, aumenta la formación de radicales OH. En una solución con un valor de pH alto, hay más iones de hidróxido presente, esta concentración al mismo tiempo aumentaría debido al colapso de las microburbujas que permiten la formación de más radicales libres. (8)
Figura 2. Diagrama esquemático del generador de microburbujas. (7)
Actualmente, las microburbujas se han utilizado ampliamente en muchos campos debido a sus propiedades únicas. El uso de estas estructuras se ha extendido a diversos sectores como un potencial en la industria de los alimentos, en la agricultura, en el ambiente y entre otros. (10) Su uso ha permitido avances en diversos rubros debido a sus características que ayudan a diversos procesos como en la ozonización.
BIBLIOGRAFÍA:
1. Agarwal, Ashutosh, Wun Jern Ng, and Yu Liu.(2011) Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere 84(9): 1175-1180.DOI:10.1016/j.chemosphere.2011.05.054
2. Awaleh, M. O., & Soubaneh, Y. D. (2014). Waste water treatment in chemical industries: the concept and current technologies. Hydrology: Current Research, 5(1), 1.DOI:http://dx.doi.org/10.4172/2157-7587.1000164
3. Shangguan, Y., Yu, S., Gong, C., Wang, Y., Yang, W., & Hou, L. A. (2018). A review of microbubble and its applications in ozonation. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science .128 (1).DOI: 10.1088/1755-1315/128/1/012149
4. Sorokhaibam, L. G., & Ahmaruzzaman, M. (2014). Phenolic Wastewater Treatment. Industrial Wastewater Treatment, Recycling and Reuse, 323–368.DOI: 10.1016/B978-0-08-099968-5.00008-8
5. Sumikura M, Hidaka M, Murakami H, Nobutomo Y, Murakami T. Ozone micro-bubble disinfection method for wastewater reuse system. Water Sci Technol. 2007;56(5):53‐61.DOI: 10.2166/wst.2007.556
6. Takahashi, M. (2005). ζ Potential of Microbubbles in Aqueous Solutions: Electrical Properties of the Gas−Water Interface. The Journal of Physical Chemistry B, 109(46), 21858–21864.DOI:10.1021/jp0445270
7. Takahashi, Masayoshi, Kaneo Chiba, and Pan Li.(2007a) Formation of hydroxyl radicals by collapsing ozone microbubbles under strongly acidic conditions.The Journal of Physical Chemistry B 111(39): 11443-11446.DOI:10.1021/jp074727m
8. Takahashi, M., Chiba, K., & Li, P. (2007b). Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. The Journal of Physical Chemistry B, 111(6), 1343-1347.DOI:10.1021/jp0669254
9. Takahashi, M., Kawamura, T., Yamamoto, Y., Ohnari, H., Himuro, S., & Shakutsui, H. (2003). Effect of Shrinking Microbubble on Gas Hydrate Formation. The Journal of Physical Chemistry B, 107(10), 2171–2173.DOI:10.1021/jp0669254
10. Tsuge, H. (2014). Micro-and Nanobubbles: Fundamentals and Applications. CRC press.