Mathemathical model for estimating the radiation field in photocatalytic reactors

Modelo matemático para la estimación del campo radiante en reactores fotocatálicos

En este trabajo se propone un nuevo enfoque para la estimación del campo radiante en reactores fotocatalíticos heterogéneos. El modelo de campo de radiación efectiva se desarrolló a partir de las ecuaciones constitutivas para la emisión y absorción de energía. El nuevo modelo contempla cinco componentes para el balance de energía de radiación: i) El flujo neto de energía en el volumen υ a través de la superficie α en el sistema. ii) La energía total es absorbida por las partículas del catalizador. iii) La pérdida de energía es por dispersión. iv) La ganancia de energía es por dispersión (se necesita una función de fase de la energía dispersada) y el flujo neto de energía en el volumen se da a través de la superficie del reactor. El modelo es una función unidimensional integro diferencial en términos de una variable arbitraria χ adimensional, donde α (χ) es el área de superficie del reactor, κ_υ, σ_υ son los coeficientes medios de absorción volumétrica y la dispersión, respectivamente. El modelo fue utilizado para la simulación del campo de radiación, con el modelo Six Flux (para un reactor CPC y TiO₂-P25). Permite obtener buenos resultados y es más rápido que la solución rigurosa de la ecuación de campo radiante.

INTRODUCCIÓN

El diseño de reactores solares fotocatalíticos para la desintoxicación del agua requiere una comprensión adecuada de la dinámica de los procesos moleculares en la interfaz semiconductor/solución. La principal limitación es la formulación de los mecanismos detallados de los procesos fotocatalíticos en los que intervienen sustancias o mezclas complejas [1, 2].

Los procesos fotocatalíticos heterogéneos están fuertemente influenciados por cuatro componentes clave: sistema reactivo (sustrato), catalizador (semiconductor), geometría del reactor (tipo de reactor) y campo de radiación (flujo luminoso) [3 - 5]. La geometría y el campo de radiación introducen una naturaleza no intrínseca a este tipo de proceso (reflejada en la cinética de la velocidad de reacción). Estas características son las principales diferencias con los procesos químicos convencionales.

El rendimiento de la fotocatálisis depende críticamente de la cantidad de radiación incidente que puede utilizarse para activar las partículas del catalizador y, por tanto, requiere una correcta cuantificación de la tasa volumétrica de absorción de energía (VREA). Esto, a su vez, permitirá una adecuada descripción de los parámetros cinéticos como los rendimientos cuánticos [6, 7].

Generalmente, los modelos más adecuados para la descripción de los campos de radiación se basan en el análisis de los principios fundamentales de los balances de energía radiante y la teoría del transporte de fotones, que dan lugar a una ecuación denominada ecuación de transferencia radiativa generalizada, ETR [3, 4, 8].