Compuestos Organicos Volatiles (COVs) en Aires Interiores y su Tratamiento por Biofiltracion-Adsorcion

    Actualmente se ha logrado correlacionar el aumento en la frecuencia de casos de enfermedades como asma, alergias y cáncer con la exposición a los diferentes contaminantes químicos presentes en espacios confinados. Considerando estos efectos negativos sobre la salud humana, así como los efectos en el rendimiento laboral y el bienestar en general de los ocupantes de un espacio confinado, es preciso anotar que este problema mundial requiere una atención prioritaria.

   Actualmente, no existe ninguna tecnología que pueda considerarse plenamente satisfactoria en la generación de un aire interior más limpio. En consecuencia, el principal objetivo del presente trabajo es tratar un aire micro-contaminado con siete diferentes sustancias químicas que hacen parte de los contaminantes encontrados en aires interiores (butanol, acetato de butilo, formaldehido, limoneno, tolueno, decano y tricloroetileno).

C. Hort1*, V. Platel1, A. Luengas1, M. Ondarts2 y S. Sochard1

1 Thermal, Energy and Process Laboratory (LaTEP), Université de Pau et des Pays de l’Adour, Quartier Bastillac, 55 Avenue d'Azereix BP 1624, 65016 Tarbes, France. * cecile.hort@univ-pau.fr

2 Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement (LOCIE), Université de Savoie, Polytech Annecy-Chambéry Campus scientifique Savoie Technolac, 73376 Le Bourget du Lac, France

   Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

   Editor académico: Carlos N Díaz.

   Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí

   Cita: C. Hort, V. Platel, A. Luengas, M. Ondarts, S. Sochard. 2017. Compuestos Organicos Volatiles (COVs) en Aires Interiores y su Tratamiento por Biofiltracion-Adsorcion, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores y COVs en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

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   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras clave: Biofiltro, aire micro-contaminado, compost, carbón activado, proceso combinado.

 

Resumen

   Actualmente se ha logrado correlacionar el aumento en la frecuencia de casos de enfermedades como asma, alergias y cáncer con la exposición a los diferentes contaminantes químicos presentes en espacios confinados. Considerando estos efectos negativos sobre la salud humana, así como los efectos en el rendimiento laboral y el bienestar en general de los ocupantes de un espacio confinado, es preciso anotar que este problema mundial requiere una atención prioritaria.

    Actualmente, no existe ninguna tecnología que pueda considerarse plenamente satisfactoria en la generación de un aire interior más limpio. En consecuencia, el principal objetivo del presente trabajo es tratar un aire micro-contaminado con siete diferentes sustancias químicas que hacen parte de los contaminantes encontrados en aires interiores (butanol, acetato de butilo, formaldehido, limoneno, tolueno, decano y tricloroetileno).

    Para ello se utilizó la sinergia entre un sistema de biofiltración y el proceso de adsorción. Como resultado, se obtuvo una eficiencia promedio de remoción por biofiltration de más del 95% para la mayoría de los contaminantes estudiados excepto para el tricloroetileno (TCE) que fue pobremente tratado por biofiltración (eficiencias de remoción entre 20% y 30%) pero satisfactoriamente removido mediante el proceso de adsorción (90% de eficiencia de remoción promedio). El alto rendimiento de remoción obtenido para todos los contaminantes estudiados deja entrever el potencial del sistema combinado biofiltración-adsorción en el tratamiento de aires interiores.

 

1. Introducción

   La calidad del aire interior (CAI) se ha convertido en un desafío global los últimos años. Recientemente, la Organizacion Mundial de la Salud (OMS) concluyó que cerca de siete millones de muertes prematuras son causadas por la contaminación del aire, de las cuales 4.3 millones fueron relacionadas específicamente con el aire interior (AI) (WHO, 2014). Se ha estimado que la CAI determina en gran medida la salud, el bienestar y la productividad de quien pasa la mayoría de su tiempo en espacios confinados y por ende, el costo asociado a la deterioración de estos tres aspectos puede verse incrementado (Fisk, 2011).

   Cientos de compuestos orgánicos han sido identificados en el AI durante los últimos años, siendo los compuestos orgánicos volátiles (COVs) los que contribuyen en mayor medida a la deterioración de la CAI. Estos se encuentran presentes a muy bajas concentraciones (<50 µg m-3) y su origen es muy variado (cocción de alimentos, humo del tabaco, utilización de velas, chimeneas, desodorantes, productos de limpieza, trabajos de renovación interior, etc.) (Sarigiannis et al., 2011).

   Hoy en día, el tratamiento de la contaminación del AI se lleva a cabo mediante el uso de tecnologías que implican principalmente la filtración, la adsorción, la oxidación fotocatalítica, la tecnología de plasma y la fotolisis UV (Hodgson A.T. et al., 2007; Mo J. et al., 2009; Lu et al., 2010; Lu et al., 2012; Zhong L. et al., 2013). Sin embargo, muchos de estos dispositivos han sido juzgados por su alto consumo de energía y la generación de subproductos. En consecuencia, no existe actualmente ninguna tecnología que pueda considerarse plenamente satisfactoria en la generación de un AI más limpio.

   Por ende, el presente trabajo se enfoca en la combinación de dos tecnologías, la adsorción y la biofiltración, que pueden agruparse para tratar de manera más eficiente la contaminación del AI. Recientemente, la biofiltración se ha catalogado como una buena alternativa para tratar COVs presentes en aires contaminados a bajas concentraciones, por sus atributos técnicos, económicos y ambientales (Lu et al., 2010; Estrada et al. 2011). Por su parte, la adsorción se ha usado satisfactoriamente en el control de emisiones de COVs a nivel industrial y es actualmente utilizada en diferentes equipos disponibles en el mercado para el tratamiento de la contaminación del AI.

 

2. Materiales y métodos

   El montaje experimental es representado en la Figura 1. El aire micro-contaminado es producido por medio de un generador de gases estándar que permite generar aires contaminados a niveles de concentración que van desde decenas de µg/m3 hasta cientos de mg/m3 dependiendo de las corrientes de dilución instaladas. Posterior al generador, una dilución es llevada a cabo para ampliar el rango de concentraciones de trabajo y ajustar la humedad relativa de la corriente a 80% con una corriente que ha sido previamente humidificada en una columna de 0.1m de diámetro por un metro de alto. Luego, este flujo es dividido en dos corrientes que alimentan las columnas de biofiltration y biofiltration-adsorción. Las concentraciones de trabajo se presentan en la Tabla 1.

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Fig. 1. Esquema del montaje experimental (B: biofiltración; B-A: biofiltración-adsorción; MF: medidores de flujo másico).

   El lecho de éstas columnas está formado por compost de residuos de jardín tamizado (contenido de humedad de 55%±1.5) para la primera de ellas y una mezcla de éste material (2/3) y carbón activado (1/3) para la segunda. El flujo total de aire en cada columna es regulado por medidores de flujo másico instalados aguas abajo. El sistema fue operado durante 70 días sin inoculación ni aclimatación de biomasa y sin utilizar solución de nutrientes. Un tiempo de residencia de 19s fue establecido. 100 mL de agua fueron inyectados desde la cima de la columna cada dos o tres días para controlar la humedad del medio filtrante.

Tabla 1. Características de la corriente gaseosa micro-contaminada y condiciones de operación del sistema de tratamiento.

Contaminantes

Concentrationes (µg/m3)

Butanol

112

Acetato de butilo

93

Formaldehido

71

Limoneno

45

Tricloroetileno(TCE)

92

Tolueno

81

Decano

32

   El análisis de las diferentes corrientes comienza con una pre-concentración criogénica de la muestra que permite eliminar el dióxido de carbono y el vapor de agua y concentrar los contaminantes a analizar en un volumen mínimo de gas. Posterior a ésta etapa, el análisis de los diferentes COVs es realizado por cromatografía de gases (CG) utilizando un detector de espectrometría de masas (DSM). El método usado es una adaptación del método EPA TO-15 (US-EPA, 1999). El análisis del formaldehido fue hecho siguiendo el método NIOSH, basado en la adsorción reactiva de este compuesto sobre cartuchos impregnados con 2,4-dinitrofenilhidracina (DNPH) que posteriormente son sometidos a una etapa de desorción con acetonitrilo. La fase liquida es analizada a continuación por HPLC (High Performance Liquid Chromatography).

 

3. Resultados y discusión

    La Figura 2 muestra los valores de eficiencia de remoción mínimo, máximo y promedio para cada uno de los contaminantes tratados en el presente estudio por biofiltración (Fig. 2ª) y por biofiltración-adsorción (BA) (Fig.2b). En general, se puede decir que los dos sistemas presentan eficiencias de remoción promedio similares para casi todos los compuestros tratados. Sin embargo, se puede observar que para la biofiltración los valores mínimos son más bajos que para la BA donde el tolueno y el TCE pasaron de valores inferiores al 20% en la biofiltración a valores superiores al 60% en el sistema combinado BA, por lo cual el comportamiento de éste último resulta ser más estable a través de tiempo.

   Otros autores han estudiado igualmente el uso del CA junto con el proceso de biofiltración (Oh DI et al., 2009; Dorado et al., 2012; Hort et al., 2014). Por ejemplo, Dorado et al. (2012) usaron CA como medio en un biofiltro y comprobaron que al arranque del mismo el fenómeno de adsorción prevalece sobre el de biodegradación y por ende, desde el inicio de la operación se obtiene una alta eficiencia de remoción de contaminantes. Por su parte, Oh et al. (2009) concluyeron en su estudio que la mayor ventaja de usar carbón activo como parte del medio filtrante era el manejo de cargas importantes de contaminante que entraban al sistema de manera inesperada.

   Si analizamos el caso del butanol, presente en una mayor concentración frente a los otros contaminantes, la eficiencia de remoción también mejoró con el uso del carbón activo (CA). Si bien es un compuesto hidrofilico es posible que su biodegradación se vea afectada por fenómenos de competición o co-metabolismo tal como lo sugieren Chan and Lin (2010). Esta premisa es válida para la biodegradación de todos los demás compuestos. Adicionalmente, se deben tener en cuenta las propiedades del medio filtrante y su variación a través del tiempo. Específicamente, la humedad del soporte varió pese a la irrigación constante del mismo, encontrándose una pérdida del 42% del contenido inicial de agua en el compost solo y del 39% en la mezcla de compost y CA al final del periodo de operación de los sistemas.

C Hort
Fig. 2. Eficiencia de remoción por (a) biofiltración y (b) biofiltración-adsorción de los diferentes contaminantes estudiados.

   Por otro lado, el análisis de las corrientes de salida de los dos sistemas muestran la generación de subproductos como acetaldehído, acetona, acido propiónico, metanol, propanol y butano. Su presencia puede ser atribuida a los mecanismos de degradación de las diferentes moléculas de contaminantes tratadas y al proceso de fermentación del compost que podría haber sido retomado dentro de las columnas de filtración. Por ejemplo, el butano y la acetona han sido identificados en estudios previos como subproductos de la degradación de desechos de jardín, los cuales hacen parte del compost utilizado en el presente estudio (Gélinas y Hérouc, 2004).

 

4. Conclusiones

   La biofiltración es capaz de lograr altas eficiencias de eliminación para la mayoría de los contaminantes estudiados presentes a bajas concentraciones. Sin embargo, frente a la heterogeneidad de los contaminantes en aires interiores, la combinación de la biofiltración y de la adsorción resulta ser una mejor alternativa. Además, la combinación de estos procesos implica la reducción del volumen del medio filtrante y por ende, puede obtenerse un sistema más compacto. Por otro lado, las bondades del uso de compost son una vez más verificadas en este estudio, resaltando su riqueza microbiana, su importante área superficial de contacto, su contenido en agua, su baja densidad, su buena capacidad tampón y el bajo costo debido a que es un residuo, lo que hace el proceso más atractivo ya que está en sintonía con conceptos como la economía circular y el desarrollo sostenible.

 

5. Referencias

    Chan W.C. y Lin Y.S. 2010. Compounds interaction on the biodegradation of butanol mixture in a biofilter. Bioresource Technology. 101 (11), 4234-4237.

   Dorado AD., Lafuente J., Gabriel D. Gamisans X. 2012. Interaction between sorption and biodegradation in a biofilter packed with activated carbon. Water Science and Technology. 66 (8), 1743-1750.

   Estrada JM, Kraakman NJR, Muñoz R and Lebrero R. 2011. A comparative analysis of odour treatment technologies in wastewater treatment plants. Environmental science & technology. 45 (3), 1100–1106.

   Fisk WJ, Black D y Brunner G. 2011. Benefits and costs of improved IEQ in U.S. offices. Indoor Air 21, 357-367.

   Gélinas C. y Hérouc M. 2004. Reserach and demostration project on the measurement, prevention, control, projection, monitoring and detection of odors related to composting processes. Technical report C-28, Montréal city, Odotech-Solinov (in French).

   Hodgson AT, Destaillats H, Sullivan DP, Fisk WJ. 2007. Performance of ultraviolet photocatalytic oxidation for indoor air cleaning applications. Indoor Air. 17, 305–316.

    Hort C, Platel V, Sochard S, Luengas Munoz A.T, Ondarts M, Reguer A, Barona A, Elias A. 2014. A hybrid biological process of indoor air treatment for toluene removal. J Air Waste Manag Assoc 64 (12), 1403-1409

   Lu Y, Liu J, Lu B, et al. 2010. Study on the removal of indoor VOCs using Biotechnology, Journal of Hazardous Materials. 182, 204-209.

   Lu Y, Wang D, Wu Y, Ma C, Zhang X, Yang C. 2012. Synergistic Effect of Nanophotocatalysis and Non thermal Plasma on the Removal of Indoor HCHO. International Journal of Photoenergy. 2012: ID 354032.

   Mo J, Zhang Y, Xu Q, Lamson JJ, Zhao R. 2009. Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air: A literature review. Atmospheric Environment. 43, 2229-2246.

   Oh DI, Song JH, Hwang SJ, Kim JY. 2009. Effects of adsorptive properties of biofilter packing materials on toluene removal, J. Hazard. Mater 170, 144–150.

   Sarigiannis D.A., Karakitsios S.P., Gotti A., Liakos I.L., Katsoyiannis A. 2011. Review. Exposure to major volatile organic compounds and carbonyls in European indoor environments and associated health risk. Environment International. 37, 743–765.

   U.S. Environmental Protection Agency (EPA) (1999). Method TO-15. Determination of volatile organic compounds (VOCs) in air collected in specially-prepared canisters and analyzed by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). In Compendium of Methods for the Determination of Toxic Organic Compounds in Ambient Air, 2nd ed. Washington, DC: U.S. Environmental Protection Agency.

   World Health Organization (WHO). 2014. Public Health, Environmental and Social Determinants of Health (PHE). Geneva

   http://www.who.int/phe/health_topics/outdoorair/databases/en/ (Fecha de consulta:25/06/2014)

   Zhong L., Haghighat F. y Lee C.S. 2013. Ultraviolet photocatalytic oxidation for indoor environment applications: Experimental validation of the model. Building and Environment. 62, 155-166.

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