Descomposición del ozono

Al producirse ozono, se descompone rápidamente, ya que se trata de un compuesto inestable con una vida media relativamente corta. El periodo de semidesintegración del ozono en agua es mucho más reducido que en aire (ver Tabla 1). El ozono se descompone en agua potable (pH: 6-8,5), parcialmente en radicales OH reactivos. Por lo tanto, el estudio de un proceso de ozono siempre involucra las reacciones de dos especies: ozono y radicales OH. Cuando estos radicales OH se encuentran en las partículas dominantes de la disolución, se trata de un proceso de oxidación avanzada (PAO). La descomposición del ozono en radicales OH en aguas naturales se caracteriza por una disminución inicial rápida de ozono seguida por una segunda fase en la que el ozono disminuye siguiendo una cinética de primer orden [15]. Dependiendo de la calidad del agua, el periodo de semidesintegración del ozono puede variar entre segundos y horas. Los factores que influyen en la descomposición del ozono en agua son la temperatura, pH, ambiente, concentración de substancias disueltas y luz UV. A continuación se discuten estos factores principales.

Factores influyentes:

1. Temperatura

La temperatura tienen gran influencia en el periodo de semidesintegración del ozono. En la Tabla 1 se muestran estos periodos para ozono en aire y agua. Como se puede observar, el ozono se descompone más rápidamente en agua que en aire [1]. La solubilidad del ozono disminuye al aumentar la temperatura y es menos estable. Por otro lado, la velocidad de reacción aumenta por un factor de 2 o 3 cada 10 °C [5,6]. Principalmente, no es posible utilizar ozono disuelto en agua a temperaturas superiores a 40 °C, ya que a esta temperatura la vida media del ozono es demasiado corta.

Tabla 1: periodo de semidesintegración del ozono en gas y agua a diferentes temperaturas

2. pH

Como ya se ha mencionado anteriormente, el ozono se descompone parcialmente en radicales OH. Cuando el valor del pH aumenta, también lo hace la formación de radicales OH. En una disolución con un valor de pH elevado, hay más iones hidróxido presentes. Estos iones actúan como iniciadores en la descomposición de ozono:

1 O₃ + OH^- → HO₂^- + O₂

2 O₃ + HO₂- → ^•OH + O₂ ^•- + O₂

Los radicales que se producen en la segunda reacción pueden inducir otras reacciones con ozono, causando la formación de más radicales OH.

Además, el pH tiene influencia en el equilibrio ácido/base de algunos compuestos y también en la velocidad de reacción del ozono. Esto también tiene influencia en la reacción con CO₃^2-, la cual es también dependiente del pH (Pka HCO₃^2-/CO₃^2- = 10,3).

La Figura 1 muestra que la descomposición en un ambiente básico es mucho más rápida que en un ambiente ácido.

Figura 1: efecto del pH en la descomposición del ozono (T = 15 °C)

3. Concentración de sólidos disueltos

El ozono disuelto puedo reaccionar con una variedad de compuestos como por ejemplo, compuestos orgánicos, virus, bacterias, etc. Esto da lugar a la descomposición del ozono. Tal y como se muestra en la Figura 2, el periodo de semidesintegración del ozono en agua destilada es mucho más corto que en agua potable.

Figura 2: Descomposición del ozono en diferentes tipos de agua a 20 °C. 1 = agua doblemente destilada; 2 = agua destilada; 3 = agua potable; 4 = agua subterránea de baja dureza; 5 = agua filtrada del Lago Zurich (Suiza); 6 = agua filtrada del Bodensee (Suiza)

El ozono se descompone en el agua en radicales OH. Dependiendo de la naturaleza de los compuestos disueltos, la descomposición se puede acelerar (reacción en cadena) o frenar. Las substancias que aceleran esta reacción son promotores. Las substancias que frenar la reacción se llaman inhibidores.

El término “scavenging capacity” se utiliza a menudo para referirse a los radicales libres presentes en el proceso de ozonización del agua. Los radicales libres son substancias que reaccionan con los radicales OH y frenar la reacción en cadena. La “scavenging capacity” se define de la siguiente manera: [16].

k_OH-DOC[DOC] + k_OH-HCO3^-[HCO₃^-] + k_OH-CO32^-[CO₃^2-]

4. Carbonato y bicarbonato

Los radicales libres ralentizan la reacción en cadena. Esto es porque después de la reacción entre los radicales libres y los radicales OH, los productos obtenidos no reaccionan con el ozono. El carbonato es un radical libre muy efectivo. Añadiendo carbonato (CO₃^2-) es posible aumentar la vida media del ozono [5,6]. El efecto en la velocidad de reacción es mayor a concentraciones bajas. Por encima de mmol^-1 para ozonización y 3 mmol l^-1 para un proceso de oxidación avanzada (PAO), la disminución en la velocidad de reacción es despreciable [6].

Cuando en una disolución se dan principalmente reacciones indirectas (con radicales OH), es decir, en una disolución con pH alto o un proceso PAO, no es deseable la presencia de radicales libres. Éstos reaccionan muy rápidamente con los radicales OH y disminuyen la capacidad de oxidación. Para este tipo de procesos se requiere una “scavenging capacity” baja.

Los iones carbonato (CO₃^2-) son unos radicales libres mucho más Fuertes que los iones bicarbonato (HCO₃^2-) (velocidad de reacción CO₃^2-: k = 4,2 * 10⁸ M^-1s^-1 y velocidad de reacción HCO₃^-: k = 1.5 * 10⁷ M^-1s^-1). Es por esto que para un proceso de producción de ozono en agua potable, la concentración de bicarbonato es menos importante [6]. La Figura 3 muestra la relación del ratio de carbonato, ratio de bicarbonato y pH.

Figura 3: equilibrio del carbonato, bicarbonato y dióxido de carbono

5. Materia Orgánica Natural

La Materia Orgánica Natural (MON) existe en cualquier tipo de agua natural y se mide normalmente como Carbono Orgánico Disuelto (COD). La MON reduce la calidad del agua con respecto al color y olor. El ozono puede emplearse en el tratamiento de agua para reducir la concentración de MON. Ésta puede variar entre 0,2-10 mg l^-1 en aguas naturales [6]. La influencia de NOM en el ozono es doble. Depende del tipo de NOM, el ozono puede ser oxidado directamente por esta materia. Es lo que ocurre en el caso de compuestos que reaccionan fácilmente con el ozono, como por ejemplo, compuestos con dobles enlaces, compuestos aromáticos activos, aminas desprotonadas y sulfuros [15]. Por otro lado, los radicales OH pueden reaccionar con la MON (reacciones indirectas) y actuar como promotores o radicales libres.

En aguas naturales es difícil determinar la estabilidad del ozono debido al efecto indefinido del MON. Esto indica que no es posible estimar la fracción que acelera o ralentiza la reacción [15].