Responsable: ANTONIO MERCADO CABRERA

Objetivos:

1. Eliminar olores desagradables en una mezcla de sulfuro de hidrógeno, argón, nitrógeno y aire mediante descarga de plasma frío, analizando los niveles de voltaje, energía aplicada y frecuencia, como los parámetros de la descarga y composición de la mezcla como variable del proceso.

2. Analizar el efecto de la geometría cilíndrica en el proceso de eliminación de sulfuro de hidrógeno.

3. Caracterizar los residuos gaseosos mediante cromatografía de gases y detección de masas.

4. Llevar a cabo el estudio de la espectroscopia de emisión óptica para la determinación de propiedades.

5. Llevar a cabo el análisis teórico que permita comprender el proceso de eliminación de sulfuro de hidrógeno.

Antecedentes:

Uno de los efectos climáticos más conocidos en la actualidad y del cual existe una preocupación mundial, pero con muy pocas acciones concretas, es el llamado calentamiento global, el cual amenaza a toda la humanidad. El calentamiento global es un desequilibrio ecológico producto de las actividades cotidianas del ser humano. Los primeros estudios iniciaron en la década de los 70, sobre los efectos de los clorofluorocarbonos en la capa de ozono, trabajos que posteriormente merecieron el Premio Nobel de Química al Dr. Mario Molina. Actualmente se sabe que hay una gran variedad de compuestos responsables del efecto invernadero y que contribuyen al calentamiento global, entre los que se encuentran el dióxido de azufre (SO₂), óxidos de nitrógeno (NO_x), óxido nitroso (N₂O), ozono (O₃), hexafluoruro de azufre (SF₆), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y compuestos orgánicos volátiles (VOC's), entre muchos otros de una lista muy larga. Existen compuestos que contribuyen al efecto invernadero y que además generan un problema social, por subjetivo que parezca. Éstos son los mercaptanos, que al ser desprendidos son percibidos a través de aromas u olores característicos. Este tipo de compuestos son generados en tiraderos de basura al aire libre y en ríos contaminados por desechos de origen animal e industrial. El primero de la familia de esta clase de compuestos es el sulfuro de hidrógeno (H₂S), llamado erróneamente acido sulfhídrico. Un ejemplo claro de este tipo de contaminación es el Río Lerma, donde diariamente se desprenden olores putrefactos acelerados por las condiciones climáticas y la falta de movimiento del líquido y en donde compuestos como el sulfuro de hidrógeno son desprendidos a la atmósfera provocando los efectos ya mencionados. Existen técnicas que eliminan, en determinado porcentaje, la emanación de olores; entre ellas la filtración, cambios de pH con la adición de químicos suplementarios, adición de perfume y desodorante, e inyección de gases oxidantes, entre otras.

Una de las técnicas que parece favorable y que puede contribuir a la eliminación de sulfuro de hidrógeno es el plasma frío, gas parcialmente ionizado en el que, mediante la aplicación de un alto voltaje, se logra que algún electrón de la última capa sea desprendido, siendo los productos de esta reacción, los que puedan promover la generación de radicales libres. Mediante la creación de radicales libres y su interacción con los compuestos tóxicos contaminantes, éstos últimos pueden ser eliminados, siendo transformados en otros compuestos menos tóxicos. En el Laboratorio de Física de Plasma se tiene infraestructura para generar y aplicar el plasma frío a la degradación de compuestos tóxicos, habiéndose tratado, entre otros, compuestos orgánicos volátiles (benceno, tolueno, tetracloruro de carbono), óxidos ácidos (óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno) y más recientemente, desechos en fase líquida. El plasma frío generado en el laboratorio, fue aplicado exitosamente, tanto a mezclas artificiales como reales de sulfuro de hidrógeno. Las primeras fueron generadas con gases comerciales, mientras que la mezcla real fue obtenida de desechos en fase líquida del Río Lerma, la cual recibió un tratamiento previo, para la extracción únicamente de los compuestos en fase gas. La aplicación del plasma frío produjo muy buenos resultados en ambos tipos de mezclas, obteniéndose eficiencias superiores al 90%.

Beneficios:

El beneficio más importante es la contribución de nuevas técnicas al mejoramiento del medio ambiente ya que, con los dispositivos de que se dispone, se han podido tratar desechos en fase gaseosa y actualmente en fase líquida. Debido a las propiedades del plasma frío, una gran cantidad de compuestos tóxicos podrían ser tratados directamente en medios altamente reactivos.

La aportación más importante del proyecto está relacionada con el mejoramiento del medio ambiente. El dispositivo utilizado en el Laboratorio de Física de Plasmas para generar y aplicar plasma frio a la degradación de compuestos tóxicos, es capaz de oxidar eficientemente no sólo sulfuro de hidrógeno, sino también compuestos del tipo óxidos ácidos y compuestos orgánicos volátiles, como ya fue probado con la experimentación realizada.

Logros Obtenidos:

Formación de recursos humanos

La C. Bethsabet Jaramillo Sierra obtuvo el grado de Licenciatura en Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Toluca, con el trabajo titulado "Degradación teórica y experimental de SO₂ inducida por descarga de corona pulsada positiva". Noviembre de 2009. 

Publicaciones

a)        Allan Flores-Fuentes, Rosendo Peña-Eguiluz, Régulo López-Callejas, Antonio Mercado-Cabrera, Raúl Valencia-Alvarado, Samuel Barocio-Delgado, Anibal de la Piedad-Beneitez. “Electrical Model of an Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge Cell”. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 37(1), pp. 128-134 (2009).

b)        Flores-Fuentes, R. Peña-Eguiluz, R. López-Callejas, A. Mercado-Cabrera, R. Valencia-Alvarado, S. R. Barocio, A. de la Piedad-Beneitez. "Three cell flying capacitor inverter for dielectric barrier discharge plasma applications". Brazilian Journal of Physics, 39-2 (2009) pp. 264-269. ISSN: 0103-9733.

c)        Flores M. Mariana, Mercado C. Antonio, Valencia A. Raúl, R. López-Callejas, Barocio D. Samuel, Peña E. Rosendo, Muñoz C. Arturo, Jaramillo S. Bethsabet. "NOx Chemical Reduction in a Cylindrical DBD Reactor: Theoretical and Experimental Analysis". International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, IJPEST Vol. 3-1 pp. 43 - 48 (2009). ISSN: 1881-8692

d)        Ph. Teulet, J J Gonzalez, A Mercado-Cabrera, y Cressault, A Gleizes. “One-dimensional hydro-kinetic modeling of the decaying arc in air–PA66–copper mixtures: I. Chemical kinetics, thermodynamics, transport and radiative properties”. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 pp. 175201 (15pp).

e)        Ph. Teulet, J J Gonzalez, A Mercado-Cabrera, Y Cressault, A Gleizes. “One-dimensional hydro-kinetic modeling of the decaying arc in air–PA66–copper mixtures: II. Study of the interruption ability”. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 pp. 185207 (10pp).

Presentaciones en congresos internacionales

a)        B. Jaramillo-Sierra, A. Mercado- Cabrera, B. Rodriguez-Mendez, R. Lopez- Callejas, S. R. Barocio, R. Valencia-Alvarado, R. Peña-Eguiluz, A. Muñoz- Castro. “Reduction of SO2 in a pulsed corona discharge reactor: nitrogen, oxygen and hydrogen sulfur effect” P2.14.14 , 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Bochum, Germany.

b)        Mercado-Cabrera, B. Jaramillo-Sierra, S. R. Barocio, R. Valencia-Alvarado, M. Pacheco-Pacheco, R. Peña-Eguiluz, R. López-Callejas, A. Muñoz-Castro, “Environmental odour control by atmospheric dielectric barrier discharge” P2.14.16 , 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Bochum, Germany.

c)         R. Peña-Eguiluz, J. A. Pérez-Matinez, J. Solis-Pacheco, B. Aguilar-Uscanga, R. Lopez-Callejas, A. Mercado-Cabrera, R. Valencia Alvarado, E. A. Muñoz-Castro, S. R. Barocio, A. de la Piedad Beneitez. "Instrumentation for a plasma needle applied to elimination of E. Colli bacteria", 17th International Colloquium on Plasma Processes  CIP 09, Marseille, France.

Aplicaciones:

El uso directo del dispositivo con el que se cuenta, muestra la versatilidad y flexibilidad de la técnica de plasma frío, sobre la degradación química de compuestos tóxicos. En el Laboratorio de Física de Plasmas se han tratado satisfactoriamente una serie de compuestos como los ya mencionados anteriormente. Sin embargo, el plasma frío podría ser aplicado a otro tipo de compuestos, para lo cual se requiere de una continua experimentación e investigación, en el diseño de fuentes de energía capaces de hacer más eficientes los procesos de transferencia de energía y que permitan hacer más rentables económicamente los procesos de eliminación por plasma.