Inactivación fotocatalítica de bioaerosoles emitidos por un biofiltro que trata vapores de acetato de etilo

Abstract

"Los procesos de biofiltración son usados para biodegradar contaminantes en aire con eficiencias de remoción del 100% para compuestos de fácil degradación como alcoholes y aldehídos. Sin embargo, bajo condiciones de alta carga de contaminante, bajos contenidos de humedad e inclusive en condiciones estables de operación, estos sistemas emiten bioaerosoles que son partículas de origen biológico que causan daños muy severos a la salud como asma, neumonías o cáncer. En esta investigación se estudió un proceso de inactivación fotocatalítica con flujo continuo de bioaerosoles emitidos por un biofiltro que trató vapores de acetato de etilo (AE). El biofiltro fue empacado con perlita y con un consorcio de la una planta de tratamiento de agua residual, operó a una carga de 60 g/m3h, un tiempo de residencia de 1 min y removió el 100% del AE alimentado. Se conectó un fotorreactor anular a la salida del biofiltro, el volumen de este fue de 210 mL y operó con un tiempo de residencia de gas de 5.72 segundos. El fotorreactor fue empacado con perlita o poraver, previamente impregnados con los catalizadores ZnO o TiO2 y se colocó una lámpara-UV de 254 nm en el tubo anular de cuarzo del fotoreactor para fotoexcitar los catalizadores. Los bioaerosoles fueron muestreados a la entrada (salida del biofiltro) y salida del fotorreactor por medio del método de impactación líquida usando un impinger AGI-30 con 20 mL de solución estéril de PBS. Los bioaerosoles fueron cuantificados y caracterizados por citometría de flujo usando los fluorocromos naranja de tiazol y yoduro de propidio para determinar el número de células vivas, muertas y dañadas en las muestras. La concentración de bioaerosoles a la entrada del fotorreactor fueron de 4.35x107 ± 2.46x106 , 1.47x107 ± 2.06x105 , 1.21x108 ± 1.34x107 y 6.58x107 ± 2.49x106 células/m3aire en los sistemas ZnO/Perlita, TiO2/Perlita, ZnO/Poraver y TiO2/Poraver, respectivamente. La concentración de bioaerosoles a la salida del fotorreactor fue de 7.04x107 ± 9.08x106 , 1.28x108 ± 1.57x107 , 1.81x108 ± 1.30x107 y 5.53x107 ± 2.55x106 células/m3aire en los sistemas ZnO/Perlita, TiO2/Perlita, ZnO/Poraver y TiO2/Poraver, respectivamente. Observando que hubo procesos de desorción en los sistemas. El sistema fotocatalítico más eficiente fue el de ZnO/Perlita con un 68-72% de inactivación de bioaerosoles, manteniendo dicho porcentaje de inactivación durante 7.5 horas en comparación con los sistemas fotocatalíticos de TiO2/Perlita y TiO2/Poraver, que tuvieron un porcentaje de inactivación máximo de 40% y 70% pero por un menor tiempo de vida del catalizador xvii de 1 y 3.5 horas, respectivamente. Por otro lado, el sistema ZnO/Poraver no logró inactivar bioaerosoles debido a la baja capacidad de retención de agua del soporte que llevo al sistema a no producir suficientes •OH y al pronto envenenamiento del catalizador por los bioaerosoles, y reducir por lo tanto su capacidad de inactivación; así como también se debió a las reacciones de competencia entre la oxidación del material biológico y la reducción del CO2. También se determinó que los bioaerosoles emitidos por el biofiltro están compuestos de 81 – 99 % de bacterias y levaduras y de 1 – 19 % de hongos. El sistema ZnO/Perlita logró disminuir la concentración de hongos en un 63.08 ± 13.63 % en las primeras 5 horas de evaluación del sistema mientras que en el sistema TiO2/Perlita se registró una disminución de hasta 53.13 ± 4.70 % en las primeras 2.5 horas. Por otro lado, en el sistema ZnO/Poraver se registró una disminución promedio de la concentración de hongos, durante la primera hora del proceso, de 57.3 ± 0.01 % y en el sistema TiO2/Poraver se detectó una disminución máxima de 72.8 % en la primera hora de operación. El mecanismo de inactivación de los bioaerosoles observado a través de microscopia electrónica de barrido fue por daño en la membrana de los bioaerosoles, lisis celular, así como la modificación morfológica de las células. De acuerdo a los resultados obtenidos, los sistemas fotocatalíticos en continuo son tecnologías adecuadas para eliminar los bioaerosoles en el aire hasta en un 70%; sin embargo, los tiempos de desactivación catalítica tan cortos (tiempo de vida media) de los catalizadores son un parámetro que debe evaluarse y mejorarse, es importante proponer alternativas de síntesis o mejoramiento de catalizadores para prolongar su vida media."

"Biofiltration processes have used widely to biodegrade pollutants from air with 100% of removal efficiencies for easily degradable compounds such as alcohols and aldehydes. Nevertheless, under conditions of high pollutant loading rates, low moisture contents and even in stable operating conditions, these systems emit bioaerosols that are particles of biological origin that cause severe health damages such as asthma, pneumonia or cancer. In this research, a process of continuous photocatalytic inactivation of bioaerosols emitted by a biofilter that treated Ethyl Acetate (AE) vapors was studied. The biofilter was packed with perlite and with a wastewater treatment plant consortium, the system operated at a loading rate of 60 g /m3h and a residence time of 1 min removing 100% of the EA fed. An annular photoreactor was connected to the output of the biofilter, the reactor volume was 210 mL and it operated with a gas residence time of 5.72 seconds. The photoreactor was packed with perlite or poraver previously impregnated with ZnO or TiO2 powder and a UV-lamp of 254 nm was placed in the reactor annular quartz tube to photoexcite the catalysts. Bioaerosols were sampled at the inlet (biofilter outlet) and outlet of the photorreactor by liquid impaction method using an impinger AGI-30 with 20 mL of sterile PBS solution. The bioaerosols were quantified and characterized by flow cytometry using thiazole orange and propidium iodide as fluorochromes , the live, dead and damage cells in the samples were measured. The bioaerosols concentration at the inlet of the photorreactor was 4.35x107 ± 2.46x106, 1.47x107 ± 2.06x105, 1.21x108 ± 1.34x107 y 6.58x107 ± 2.49x106 cells/m3air in ZnO/Perlite, TiO2/Perlite, ZnO/Poraver and TiO2/Poraver systems, respectively. In the other hand, the bioaerosols concentration at the outlet was 7.04x107 ± 9.08x106, 1.28x108 ± 1.57x107, 1.81x108 ± 1.30x107 y 5.53x107 ± 2.55x106 cells/m3air in ZnO/Perlite, TiO2/Perlite, ZnO/Poraver and TiO2/Poraver systems, respectively. Desorption processes took place in the systems tested. The most efficient photocatalytic system was integrated by ZnO/Perlite with 68-72% bioaerosols inactivation, maintaining for 7.5 hours compared to the system TiO2/Perlite and TiO2/Poraver which had a maximum inactivation percentage of 40% and 70% although maintaining for a shorter period of 1 and 3.5 hours, respectively. On the other hand, the ZnO/Poraver system failed to inactivate bioaerosols due to the low support water retention capacity that led the system not producing enough hydroxyl radicals and the soon catalyst poisoning by deposition of bioaerosols, and therefore reducing its inactivation capacity. Also, the competition reactions between the oxidation of biological material and the reduction of CO2 could take place. It was also determined that the bioaerosols emitted by the biofilter are composed of 81-99% of bacteria and yeasts and 1-19% of fungal spores. The ZnO/Perlite system reduced the fungal spores concentration by 63.08 ± 13.63% in the first 5 hours of system evaluation while in the TiO2/Perlite system a decrease of up to 53.1 ± 4.70% was registered in the first 2.5 hours. On the other hand, in the ZnO/Poraver system, an average decrease in fungal spores concentration of 57.3 ± 0.01% was registered, during the first hour of the process and in the TiO2/Poraver system a maximum decrease of 73% of fungal bioaerosols was detected in the first hour of operation. The mechanism of bioaerosols inactivation occurred mainly by damage of the cells membrane, cell lysis, as well as the cell morphological modification detected by scanning electronic microscopy. According to the results obtained, continuous photocatalytic systems are suitable technologies to eliminate up to 70% of bioaerosols in the air. However, the catalytic deactivation times of the catalysts that were so short (half-life) must be evaluated and improved in future research, it is important to propose alternatives of synthesis of catalysts to improve their half-life time."