Diseño de reactores de burbujeo para el tratamiento de aguas residuales mediante ozono. Caracterización física, análisis cinético y optimización con redes neuronales artificiales

Tesis por compendioThe water ozonation processes are really interesting to remove some organic compounds that are recalcitrant to the conventional water treatments. To adequately design and control the gas-liquid reactors it is necessary to use proper mathematical models that describe the behaviour of those reactors. However, the definition of suitable models is complex, since the performance of these reactors is defined by the interaction of the hydrodynamic processes of the gas and liquid phases, the transfer processes between the different phases and the chemical reactions. The present work intends to do the definition of suitable mathematical models of the bubble column reactors and the reactive schemes of the ozone. To validate them, the experimental designs are proposed for: i) the determination of physical parameters of the reactors, such as the gas holdup and the volumetric mass transfer coefficient; ii) the estimation of reaction rates of ozone decomposition and the elimination of some pollutants; and iii) the calculation of ozone properties, such as the molar extinction coefficient or solubility. The study of ozone solubility has demonstrated that the molar extinction coefficient of the dissolved ozone obtained in this work differs from the corresponding value traditionally used in the literature. This fact has been verified with different analytical methodologies. The estimation of kinetic constants fitting the mathematical models to the experimental results is usually carried out by optimization using classical gradient algorithms, which is sometimes quite complex. To facilitate these procedures, in this thesis an algorithm has been developed based on artificial neural networks to estimate the initial values of the classical methodologies. The developed algorithm is sensitive enough to estimate suitable values of kinetic constants, as it was demonstrated. A microscopic transfer model for bubble column reactors was formulated allowing the implementation of any type of reaction mechanism for the ozone. The sensitivity analysis of this model shows that the kinetic constant can be determined by knowing the evolution of a substrate, and if the evolution of the ozone gas phase concentration is also known, the volumetric mass transfer coefficient can be determined at the same time. On the other hand, a reactive model of the ozone chemical decay process has been developed. The application of a sensitivity analysis on this model shows that knowing the evolution of the ozone concentration and the initial and final concentration of hydrogen peroxide we can determine three kinetic constants of the chemical mechanism. Finally, as an example of application, we study the elimination of cytostatic compounds in hospital raw waters by ozone. The experimental results were used to estimate the kinetic rate constants of the reaction of some of these compounds with the ozone. Using these constants we carried out a preliminary economical study of the operating costs of an ozone plant to treat water of these characteristics.Los procesos de ozonización de aguas ofrecen una serie de ventajas muy interesantes para la eliminación de ciertos compuestos orgánicos que resultan recalcitrantes a los procesos de tratamiento de aguas convencionales. El correcto diseño y control de los reactores gas-líquido necesarios para su implementación industrial precisa de adecuados modelos matemáticos que describan el comportamiento de los mismos. Sin embargo, la definición de modelos adecuados resulta compleja, ya que el rendimiento de estos reactores viene definido por la interacción de los procesos hidrodinámicos de las fases gas y líquida, los procesos de transferencia entre las fases y las reacciones químicas. Con el presente trabajo se pretende la definición de modelos matemáticos adecuados de los reactores de burbujeo y de los esquemas reactivos del ozono. Para validarlos se realizan diseños experimentales para: i) la determinación de parámetros físicos de los reactores, como la fracción de gas y el coeficiente volumétrico de transferencia de materia; ii) la estimación de velocidades de reacción de la descomposición del ozono y de la eliminación de algunos contaminantes; y iii) el cálculo de propiedades del ozono, como el coeficiente de extinción molar o la solubilidad. Los estudios de solubilidad del ozono realizados en esta tesis han demostrado que el coeficiente de extinción molar del ozono disuelto obtenido difiere del valor utilizado tradicionalmente en la bibliografía. Este hecho se ha verificado con diferentes metodologías analíticas. El cálculo de constantes cinéticas por medio del ajuste de los modelos matemáticos a los resultados experimentales suele realizarse mediante optimización por algoritmos clásicos de gradiente, lo que resulta en ocasiones bastante complejo. Para facilitar estos procedimientos, en esta tesis se desarrolla un algoritmo basado en redes neuronales artificiales para estimar los parámetros de inicio de las metodologías clásicas. Se ha comprobado que el algoritmo desarrollado es sensible por sí mismo para estimar valores adecuados de las constantes cinéticas. La metodología desarrollada ha permitido establecer un modelo de transferencia microscópico para reactores de burbujeo al que se le puede implementar cualquier tipo de mecanismo de reacción para el ozono. El análisis de sensibilidad de este modelo demuestra que conociendo la evolución de un substrato se puede determinar la constante cinética, y si también se conoce la evolución de la concentración de ozono en fase gas se puede determinar al mismo tiempo el coeficiente de transferencia de materia volumétrico. Por otra parte, se ha desarrollado un modelo reactivo del proceso de descomposición química del ozono. La aplicación de un análisis de sensibilidad sobre este modelo demuestra que conociendo la evolución de la concentración de ozono y la concentración inicial y final de peróxido de hidrógeno se pueden determinar un máximo de 3 constantes cinéticas del mecanismo utilizado. Finalmente, como ejemplo de aplicación de esta tecnología, se estudia la eliminación de compuestos citostáticos en aguas hospitalarias mediante ozono. A partir de los resultados experimentales se han determinado las constantes cinéticas de la reacción de alguno de estos compuestos con el ozono. Haciendo uso de estas constantes se realiza un estudio económico preliminar de los costes de operación de una planta de ozono para tratar aguas de estas características.Els processos d'ozonització d'aigües ofereixen alguns avantatges molt interessants per a l'eliminació de certs compostos orgànics que són recalcitrants als processos de tractament d'aigües convencionals. Per a dissenyar i controlar correctament els reactors gas-líquid, per a la seua implementació industrial, es necessari utilitzar models matemàtics que descriguen adequadament el seu comportament. Però, la definició de models adequats resulta complexa, ja que el rendiment d'aquests reactors ve definit per la interacció dels processos hidrodinàmics de les fases gas i líquida, els processos de transferència entre ambdues fases i les reaccions químiques. La present tesi pretén la definició de models matemàtics adequats del reactors de bombolleig i dels esquemes reactius de l'ozó. Per a validar-los es realitzaran dissenys experimentals amb la finalitat de: i) determinar paràmetres físics dels reactors, com la fracció de gas i el coeficient volumètric de transferència de matèria; ii) l'estimació de velocitats de reacció de descomposició de l'ozó i de l'eliminació d'alguns contaminants; i iii) el càlcul de propietats de l'ozó, com el coeficient d'extinció molar o la solubilitat. Els estudis de solubilitat de l'ozó realitzats en aquesta tesi han demostrat que el coeficient d'extinció molar de l'ozó dissolt determinat difereix del valor utilitzat tradicionalment a la bibliografia. Aquest fet s'ha verificat amb diferents metodologies analítiques. El càlcul de constants cinètiques per mitjà de l'ajust dels models matemàtics als resultats experimentals sol realitzar-se mitjançant algoritmes d'optimització clàssics basats en el gradient, el que resulta bastant complex en algunes ocasions. Per facilitar aquests procediments, en aquesta tesi es desenvolupa un algoritme basat en xarxes neuronals artificials per a estimar els paràmetres d'inici de les metodologies clàssiques. S'ha comprovat que l'algoritme desenvolupat es sensible per sí mateix per a estimar valors adequats per a les constants cinètiques. La metodologia desenvolupada ha permès establir un model de transferència microscòpic per a reactors de bombolleig al que es pot implementar qualsevol mecanisme de reacció per a l'ozó. L'anàlisi de sensibilitat d'aquest model demostra que coneixent l'evolució d'un substrat es pot determinar la constant cinètica. A més a més, si es coneix l'evolució de la concentració d'ozó en fase gas es pot determinar al mateix temps el coeficient volumètric de transferència de matèria. D'altra banda, s'ha desenvolupat un model reactiu del procés de descomposició química de l'ozó. L'aplicació d'un anàlisis de sensibilitat sobre aquest model demostra que coneixent l'evolució de la concentració d'ozó i la concentració inicial i final de peròxid d'hidrogen es pot determinar una màxim de tres constants cinètiques del mecanisme utilitzat. Finalment, com a exemple d'aplicació d'aquesta tecnologia, s'estudia l'eliminació de compostos citostàtics en aigües hospitalàries mitjançant l'ozó. A partir dels resultats experimentals s'han determinat les constants cinètiques de la reacció d'algun d'aquests compostos amb l'ozó. Fent ús d'aquestes constants es realitza un estudi econòmic preliminar dels costos d'operació d'una planta d'ozó per a tractar aigües d'aquestes característiques.Ferre Aracil, J. (2017). Diseño de reactores de burbujeo para el tratamiento de aguas residuales mediante ozono. Caracterización física, análisis cinético y optimización con redes neuronales artificiales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86163TESISCompendi

Desarrollo y aplicaciones de una herramienta informática para el diseño de reactores gas-líquido

Ferre Aracil, J. (2006). Desarrollo y aplicaciones de una herramienta informática para el diseño de reactores gas-líquido. http://hdl.handle.net/10251/32568.Archivo delegad

Modelización de mecanismos de reacción complejos para reactores de ozonización: Utilización de redes neuronales para pre-optimización y determinación de parámetros cinéticos

En el presente trabajo se ha planteado como objetivo principal el desarrollo de una metodología para la determinación de constantes cinéticas y otros parámetros característicos de los reactores gas-líquido a partir de datos experimentales de las evoluciones temporales de las especies en oxidaciones mediante ozono y ozono-peróxido de hidrógeno.Ferre Aracil, J. (2011). Modelización de mecanismos de reacción complejos para reactores de ozonización: Utilización de redes neuronales para pre-optimización y determinación de parámetros cinéticos. http://hdl.handle.net/10251/15730Archivo delegad

Diseño, dimensionado y caracterización de una pila de combustible tipo PEM de 150W

Proyecto confidencialFerre Aracil, J. (2009). Diseño, dimensionado y caracterización de una pila de combustible tipo PEM de 150W. http://hdl.handle.net/10251/34172.Archivo delegad

Ozonation Kinetics of Acid Red 27 Azo Dye: A novel methodology based on artificial neural networks for the determination of dynamic kinetic constants in bubble column reactors

A procedure for the determination of initial parameter values for quadratically convergent optimization methods is proposed using artificial neural networks coupled with a non-stationary gas-liquid reaction model. The evaluation of the regression and the mean squared error coefficients of the neural network during its training process allow the parameter sensitivity analysis of the gas-liquid model. This analysis examines how many and which parameters of the model will be available depending on the observable information of the mathematical model. Numerical simulations show the relevance of the initial values and the non-linearity of the objective function. The methodology has been applied to the study of the reaction of the azo-dye Acid Red 27 with ozone in acid media. The rate constant is in the order of (1.6 +-0.1) 10^3M^(-1) s ^(-1) under the experimental conditions.J. Ferre-Aracil acknowledges the support of the doctoral fellowship from the Universitat Politecnica de Valencia (UPV-PAID-FPI-2010-04).Ferre Aracil, J.; Cardona, SC.; Navarro-Laboulais, J. (2015). Ozonation Kinetics of Acid Red 27 Azo Dye: A novel methodology based on artificial neural networks for the determination of dynamic kinetic constants in bubble column reactors. Chemical Engineering Communications. 202(3):279-293. https://doi.org/10.1080/00986445.2013.841146S279293202

Kinetic study of ozone decay in homogeneous phosphate-buffered medium

The ozone decomposition reaction is analyzed in a homogeneous reactor through in-situ measurement of the ozone depletion. The experiments were carried out at pHs between 1 to 11 in H2PO4-/HPO42 buffers at constant ionic strength (0.1 M) and between 5 and 35 ºC. A kinetic model for ozone decomposition is proposed considering the existence of two chemical subsystems, one accounting for direct ozone decomposition leading to hydrogen peroxide and the second one accounting for the reaction between the hydrogen peroxide with the ozone to give different radical species. The model explains the apparent reaction order respect of the ozone for the entire pH interval. The decomposition kinetics at pH 4.5, 6.1, and 9.0 is analyzed at different ionic strength and the results suggest that the phosphate ions do not act as a hydroxyl radical scavenger in the ozone decomposition mechanism.J. Ferre-Aracil acknowledges the support of the doctoral fellowship from the Universitat Politecnica de Valencia (UPV-PAID-FPI-2010-04).Ferre Aracil, J.; Cardona, SC.; Navarro-Laboulais, J. (2015). Kinetic study of ozone decay in homogeneous phosphate-buffered medium. Ozone: Science and Engineering. 37(4):330-342. https://doi.org/10.1080/01919512.2014.998756S330342374Bezbarua, B. K., & Reckhow, D. A. (2004). Modification of the Standard Neutral Ozone Decomposition Model. Ozone: Science & Engineering, 26(4), 345-357. doi:10.1080/01919510490482179Bielski, B. H. J., Cabelli, D. E., Arudi, R. L., & Ross, A. B. (1985). Reactivity of HO2/O−2 Radicals in Aqueous Solution. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 14(4), 1041-1100. doi:10.1063/1.555739Biń, A. K., Machniewski, P., Wołyniec, J., & Pieńczakowska, A. (2013). Modeling of Ozone Reaction with Benzaldehyde Incorporating Ozone Decomposition in Aqueous Solutions. Ozone: Science & Engineering, 35(6), 489-500. doi:10.1080/01919512.2013.821595Black, E. D., & Hayon, E. (1970). Pulse radiolysis of phosphate anions H2PO4-, HPO42-, PO43-, and P2O74- in aqueous solutions. The Journal of Physical Chemistry, 74(17), 3199-3203. doi:10.1021/j100711a007Buehler, R. E., Staehelin, J., & Hoigne, J. (1984). Ozone decomposition in water studied by pulse radiolysis. 1. Perhydroxyl (HO2)/hyperoxide (O2-) and HO3/O3- as intermediates. The Journal of Physical Chemistry, 88(12), 2560-2564. doi:10.1021/j150656a026Buxton, G. V., Greenstock, C. L., Helman, W. P., & Ross, A. B. (1988). Critical Review of rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl radicals (⋅OH/⋅O− in Aqueous Solution. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 17(2), 513-886. doi:10.1063/1.555805Cantó, B., Cardona, S. C., Coll, C., Navarro-Laboulais, J., & Sánchez, E. (2011). Dynamic optimization of a gas-liquid reactor. 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Ozonation of hospital raw wastewaters for cytostatic compounds removal. Kinetic modelling and economic assessment of the process

[EN] The kinetics of the ozone consumption for the pretreatment of hospital wastewater has been analysed in order to determine the reaction rate coefficients between the ozone and the readily oxidisabled organic matter and cytostatic compounds. The wastewater from a medium size hospital was treated with ozone and peroxone methodologies, varying the ozone concentration, the reaction time and the hydrogen peroxide doses. The analysis shows that there are four cytostatic compounds, i.e. irinotecan, ifosfamide, cyclophosphamide and capecitabine, detected in the wastewaters and they are completely removed with reasonably short times after the ozone treatment. Considering the reactor geometry, the gas hydrodynamics, the mass transfer of ozone from gas to liquid and the reaction of all oxidisable compounds of the wastewater it is possible to determine the chemical ozone demand, COzD, of the sample as 256 mg O-3 L-1 and the kinetic rate coefficient with the dissolved organic matter as 8.4 M (1) s(-1). The kinetic rate coefficient between the ozone and the cyclophosphamide is in the order of 34.7M(-1) s(-1) and higher for the other cytostatics. The direct economic cost of the treatment was evaluated considering this reaction kinetics and it is below 0.3 (sic)/m(3) under given circumstances. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.J. Ferre-Aracil acknowledges the support of the doctoral fellowship from the Universitat Politecnica de Valencia (UPV-PAID-FPI-2010-04). Y. Valcarcel acknowledges the financial support provided by the Spanish Ministry for Economy and Competitiveness, through the Carlos III Health Institute with the program "Projects on Health Research 2011-2012 FIS (PI11/00180)". N. Negreira, M. Lopez de Alda and D. Barcelo acknowledge the financial support by the EU through the EU FP7 projects CytoThreat (265264) and SOLUTIONS (603437), by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the project SCARCE (Consolider-Ingenio 2010 CSD2009-00065), and by the Generalitat de Catalunya (Consolidated Research Groups "2014 SGR 418 - Water and Soil Quality Unit" and 2014 SGR 291 - ICRA). Merck is acknowledged for the gift of LC columns.Ferre Aracil, J.; Valcárcel, Y.; Negreira, N.; López De Alda, M.; Barceló, D.; Cardona, SC.; Navarro-Laboulais, J. (2016). Ozonation of hospital raw wastewaters for cytostatic compounds removal. Kinetic modelling and economic assessment of the process. Science of the Total Environment. 556:70-79. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.02.202S707955

Jornadas Nacionales de Robótica y Bioingeniería 2023: Libro de actas

Las Jornadas de Robótica y Bioingeniería de 2023 tienen lugar en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de IVIadrid, entre los días 14 y 16 de junio de 2023. En este evento propiciado por el Comité Español de Automática (CEA) tiene lugar la celebración conjunta de las XII Jornadas Nacionales de Robótica y el XIV Simposio CEA de Bioingeniería. Las Jornadas Nacionales de Robótica es un evento promovido por el Grupo Temático de Robótica (GTRob) de CEA para dar visibilidad y mostrar las actividades desarrolladas en el ámbito de la investigación y transferencia tecnológica en robótica. Asimismo, el propósito de Simposio de Bioingeniería, que cumple ahora su decimocuarta dicción, es el de proporcionar un espacio de encuentro entre investigadores, desabolladores, personal clínico, alumnos, industriales, profesionales en general e incluso usuarios que realicen su actividad en el ámbito de la bioingeniería. Estos eventos se han celebrado de forma conjunta en la anualidad 2023. Esto ha permitido aunar y congregar un elevado número de participantes tanto de la temática robótica como de bioingeniería (investigadores, profesores, desabolladores y profesionales en general), que ha posibilitado establecer puntos de encuentro, sinergias y colaboraciones entre ambos. El programa de las jornadas aúna comunicaciones científicas de los últimos resultados de investigación obtenidos, por los grupos a nivel español más representativos dentro de la temática de robótica y bioingeniería, así como mesas redondas y conferencias en las que se debatirán los temas de mayor interés en la actualidad. En relación con las comunicaciones científicas presentadas al evento, se ha recibido un total de 46 ponencias, lo que sin duda alguna refleja el alto interés de la comunidad científica en las Jornadas de Robótica y Bioingeniería. Estos trabajos serán expuestos y presentados a lo largo de un total de 10 sesiones, distribuidas durante los diferentes días de las Jornadas. Las temáticas de los trabajos cubren los principales retos científicos relacionados con la robótica y la bioingeniería: robótica aérea, submarina, terrestre, percepción del entorno, manipulación, robótica social, robótica médica, teleoperación, procesamiento de señales biológicos, neurorehabilitación etc. Confiamos, y estamos seguros de ello, que el desarrollo de las jornadas sea completamente productivo no solo para los participantes en las Jornadas que podrán establecer nuevos lazos y relaciones fructíferas entre los diferentes grupos, sino también aquellos investigadores que no hayan podido asistir. Este documento que integra y recoge todas las comunicaciones científicas permitirá un análisis más detallado de cada una de las mismas