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1. Introducción
En un contexto de contaminación y problemas de gestión del agua a nivel mundial, el acceso a un agua libre de contaminación de cualquier tipo ya sea para consumo humano o para actividades industriales y domésticas, se ha convertido en uno de los objetivos centrales de la humanidad en el siglo XXI, tanto es así, que forma parte de la agenda 2030 de objetivos de desarrollo sostenible (ODS) de la ONU (n° 6: Agua limpia y saneamiento) 1. En este sentido, desde el año 1960, se ha observado que el PIB mundial aumentó en promedio 3.5% anual hasta el año 2012 1,2, Sin embargo, este mismo hecho ha provocado una demanda sin precedentes del agua para actividades industriales y se prevé que para el 2030, el mundo tendrá que enfrentarse a un déficit mundial del 40% de agua, acompañado además de un escenario de cambio climático del que ya se están observando sus efectos en distintas partes del mundo 3. La Figura 1 muestra cómo está evolucionando la situación mundial del agua y cómo se pronostica para los próximos años una escasez mundial de agua.
Fuente: elaboración propia con información adaptada de Tsiarta N (4
Figura 1 Situación actual del agua y perspectivas a nivel mundial.
Teniendo en cuenta esta preocupante situación una parte importante de la investigación mundial actual se ha orientado en desarrollar procesos de regeneración de aguas residuales para producir agua que pueda ser reutilizada con posterioridad a los tratamientos convencionales con el fin de 1) Mejorar las condiciones del agua consumida por los humanos y el acceso a ella 2) Disminuir la contaminación de cuerpos de agua naturales y la modificación de ecosistemas y 3) Reutilizar el agua residual producto de las actividades humanas con el fin de reducir la huella hídrica global 5,6. El grado de regeneración de estas aguas por medio de tecnologías avanzadas va a depender de la utilización posterior que se les vaya a dar, además, de las condiciones de escasez, demanda y normatividad del país o región en el que se aplica el tratamiento 7,8. La Figura 2 muestra las consecuencias del tratamiento y reutilización de aguas residuales y se observa que el tratamiento permite, no solo regenerar el agua residual, sino que también es capaz de generar valor agregado en un entorno de economía circular.
En consideración a lo anterior, el presente artículo se centra en abordar la contaminación de aguas residuales que están demasiado diluidas o poseen contaminantes difíciles de remover por procesos convencionales, lo que limita su reutilización. Estos contaminantes se denominan Contaminantes de Preocupación Emergentes o CECs por sus siglas en inglés (Químicos Persistentes, Bioacumulables y Tóxicos (PBTs), nanopartículas, pesticidas, residuos farmacéuticos y químicos, compuestos del cuidado personal (PCPs), etc.), los cuales representan una amenaza tanto para las fuentes hídricas, como para el consumo humano y demás actividades agrícolas e industriales 9,10. Para los CECs han surgido en los últimos años tecnologías que permiten potenciar y/o mejorar la efectividad de los resultados alcanzados por tratamientos fisicoquímicos y biológicos convencionales, los cuales se enmarcan dentro del tratamiento terciario de aguas residuales.
Uno de los grupos especialmente atractivos de tecnologías que se incluyen dentro de estos tratamientos son los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), que constituyen una familia de tecnologías similares, pero no idénticas, que se basan predominantemente (pero no exclusivamente) en la generación de radicales hidroxilo (•OH) por medios fotoquímicos (incluida la luz solar), u otras formas de energía. Estos radicales son altamente reactivos, sin mucha selectividad y con una alta efectividad para la oxidación de materia orgánica y algunos compuestos inorgánicos 11,12. Entre estas tecnologías, la ozonización catalítica (OC) es una de las de mayor potencial, ya que aprovecha las cualidades oxidativas del ozono y las optimiza por medio de distintos catalizadores, permitiendo una mejora en la degradación de contaminantes. Debido a que la OC puede desarrollarse de manera tanto homogénea como heterogénea, la presente investigación investigará ambas modalidades, pero priorizando especialmente la OC heterogénea, que ha demostrado ser, entre las dos tecnologías, la más efectiva, limpia, económica y ambientalmente sostenible 13, convirtiéndose en uno de los PAO de más auge en la última década en el ámbito de la investigación en el uso de ozono 14, 15.
Para ello, el artículo investiga el estado y evolución de la OC a través de tres herramientas: una revisión de la literatura acompañado de un análisis de desempeño para identificar y sintetizar conceptos claves como cinéticas de reacción, catalizadores más comunes y nuevos desarrollos al año 2021; un análisis bibliométrico de la producción científica mundial a la fecha comparándola con el contexto latinoaméricano para determinar la situación de la OC en el panorama académico-científico, ya que no se ha observado un análisis similar; y, finalmente, con los resultados obtenidos se implementa una curva S para estimar el estado actual de la tecnología en términos de la evolución en investigación científica.
2. Metodología
Se realizó una exploración en las bases de datos Scopus y SciELO Index de Web of Science, con el fin de observar el estado de la investigación en OC. Se utilizaron las palabras clave (catal*) AND (ozon*) AND {wastewater} AND {catalytic ozonation} durante el período 1973-2021, excluyendo los resultados correspondientes a la fotocatálisis y limitando los resultados de OC a aguas residuales (ya que esta tecnología también se utiliza en aire). El operador de truncamiento (*) permite incluir las variantes de los términos como “catalyst”, “catalysts”, “ozone”, “ozonation”, “ozonization”, etc.; mientras que el operador {} permite refinar los resultados asegurando que en el artículo encontrado exista la frase exacta. Con los resultados obtenidos se realizó un análisis bibliométrico, una herramientas eficaz para el análisis cuantitativo y cualitativo de las actividades científicas, ya que la misma se centra en analizar la cantidad de características externas de la literatura (como artículos, libros y patentes) y referencias (citas y co-citas) mediante el uso de métodos estadísticos y matemáticos para descubrir patrones y tendencias, permitiendo manejar grandes volúmenes de datos científicos y producir un alto impacto en la investigación 16. El análisis bibliométrico se dividió en 3 partes:
2.1. Análisis de desempeño y revisión de la literatura
El análisis de desempeño examina las contribuciones de los componentes de la investigación al campo de la investigación 16 y se abordó con métricas relacionadas con número total de citaciones de los artículos en orden de presentar una revisión de la literatura de la OC hasta el momento con los artículos más importantes. Para realizarlo se utilizó la herramienta “Smart Citations” de la Startup Scite, una inteligencia artificial que permite clasificar artículos en base al indicador SI (Índice Scite) 17, el cual está definido por la Ec.1. El SI tiene en cuenta la confiabilidad de la publicación al comparar las citas de apoyo o respaldo recibidas por el artículo, frente a las citas por contradicción o debate. La Figura 3 muestra como funciona el indicador, teniendo en cuenta que el artículo fuente es el nodo más grande y de él salen todos los artículos citados (flechas negras). Las flechas (verdes) que llegan al nodo principal indican las investigaciones que apoyan o respaldan el artículo fuente, mientras que las flechas que salen del nodo (flecha azul) indican las menciones por contraste que debaten los resultados obtenidos por el estudio.
Fuente: elaboración propia con información adaptada de Scite 17.
Figura 3 Funcionamiento del Índice SI de Scite.
2.2. Mapeo científico y análisis de redes
El mapeo científico es una parte del análisis bibliométrico que se centra en las relaciones entre los componentes de la investigación, como análisis de coautoría, análisis de cocitación, palabras clave, etc., mientras que el análisis de redes se realiza por medio de agrupamientos jerárquicos, escalamiento multidimensional, algoritmos de centrado, etc., para presentar los resultados en forma de clústeres 16. Para realizar estos dos procedimientos se utilizó la herramienta VOSViewer v.1.6.16 18, la cual permitió generar redes bibliométricas a partir de los metadatos de los artículos seleccionados. Finalmente, la calidad de las revistas que reportaron mayor número de publicaciones y citaciones acerca de la OC se analizó mediante el índice SJR (Scimago Journal & Country Rank) 19.
2.3. Madurez tecnológica: Curva S
Toda tecnología está supeditada a un proceso productivo desde la fase de introducción hasta la sustitución, una vez agotada sus capacidades. Esta caracterización de una tecnología atada a un proceso o a un conjunto de procesos es la base de los modelos de madurez tecnológica, los cuales intentan definir una evolución de las características de una tecnología a través de etapas secuenciales y bien definidas 20. Dado que generalmente se espera que un producto o tecnología siga una curva S, muchos investigadores la han utilizado en los últimos años para clasificar la evolución tecnológica en términos de 4 fases: emergente, crecimiento, madurez y decaimiento (saturación) 20. Para analizar cuantitativamente la madurez de la OC en términos de investigación científica se construyó la curva S con el software Loglet Lab 4 desarollado por la Universidad Rockefeller 21 a través del modelo de Gompertz, el cual utiliza la Ec. 2:
donde Y representa la variable dependiente de la curva S, es decir, las publicaciones acumuladas anualmente, t representa la variable de tiempo, d y r son parámetros del modelo, tm es el tiempo medio y K es el valor máximo de publicaciones.
3. Resultados
3.1. Análisis de desempeño y revisión de la literatura
3.1.1. Ozonización
El ozono (O3) fue descubierto en 1840, pero no fue hasta 1886 cuando se encontró que podía ser utilizado como germicida para la esterilización de agua contaminada 12. En 1906 se instaló el primer sistema de desinfección de aguas residuales municipales con O3 en Niza (Francia) y desde entonces, ha sido ampliamente utilizado con fines de desinfección, sobre todo en Europa, ya que el cloro, normalmente utilizado en la desinfección (cloración), produce compuestos orgánicos halogenados que fueron identificados como agentes potenciales de riesgo para la salud pública 9. De esta manera, el O3 funciona como un tratamiento complementario a la cloración, eliminando no solo patógenos, sino también materia orgánica para inhibir la producción de compuestos halogenados de desinfección, usualmente tóxicos, los cuales se producen durante la cloración 22.
Debido a su alto poder oxidativo, el O3 se ha venido investigando como una tecnología de oxidación en el tratamiento de aguas residuales de uso industrial y doméstico para eliminar microorganismos, iones inorgánicos y contaminantes orgánicos; teniendo su mayor aplicación en la remoción de sabor y como coadyuvante en los procesos de coagulación y filtración 23. Dependiendo de las condiciones del medio y del tipo de contaminante, el O3 actúa a través de dos tipos de reacción: directa o de tipo radical, los cuales se muestran en la Figura 4.
La reacción directa se produce en puntos nucleofílicos por reacciones de adición en restos insaturados (enlaces de carbono dobles y triples), por transferencia de electrones o por transferencia de átomos de oxígeno, debido a que el O3 por sí solo tiene un alto potencial redox (2.08 V) 22,24. Los productos de estas reacciones son la materia orgánica oxidada, O2, diferentes iones como el hidroperóxido ( OH 2 − ) y los ozonuros ( 𝑂 3 − ), radicales como el hidroperoxil ( •𝑂𝐻 2 ) y sustancias como el peróxido de hidrógeno ( 𝐻 2 𝑂 2 ) 24. La Ec.3 muestra la reacción global de una ozonización directa y valores aproximados para la constante de velocidad de reacción, con S siendo el contaminante, observándose que las reacciones directas de ozonización siempre son bimoleculares 25:
Además de estas reacciones, en medio básico o a altas concentraciones de material orgánico disuelto, agregando H2O2 o por radiación UV, predomina el tipo de reacción indirecta o de tipo radical, en donde el O3 descompone para formar el radical •OH, el oxidante más fuerte disponible en el tratamiento del agua. Los radicales •OH pueden oxidar material orgánico por transferencia de electrones, transferencia de hidrógenos o reacciones de adición 24. La Ec.4 muestra la reacción global de una oxidación indirecta, y adicionalmente, valores aproximados para la constante de velocidad de reacción, en donde se observa que también es una reacción bimolecular 25:
A través de la Ec.4 la materia orgánica puede ser completamente mineralizada (reducida a su forma más simple, CO2 y H2O), sin embargo, lo más común es que las reacciones posteriores conlleven la absorción de un átomo de H por el oxígeno disuelto y la formación de radicales hidroperoxilo, peróxido de hidrógeno y series de peroxilos y peróxidos, aldehídos, ácidos y demás subproductos 24 que suelen ser sustancias químicas más polares, y por lo tanto, más solubles en agua, menos volátiles, menos lipofílicas y menos absorbibles en filtros de carbón activado (CA). Aun así, estas sustancias (además de que tienden a ser menos olorosas y tóxicas) son, generalmente, más degradables por procesos microbiológicos, lo cual implica que la ozonización puede ir acompañada por un postratamiento, generalmente biológico, para eliminar estos subproductos 24. Otros subproductos de bajo peso molecular también pueden ser eliminados a través de CA y filtros de arena 24.
La Tabla 1 muestra las constantes de velocidad del radical •OH en comparación con el O3 de algunos compuestos orgánicos. Se observa que las constantes de velocidad de las reacciones que involucran radicales •OH son mucho más altas, por lo cual, la reacción ocurre de manera mucho más rápida. Esta propiedad junto con la alta reactividad del radical •OH con los contaminantes del medio son las que hacen atractivas las reacciones de ozonización indirectas.
Tabla 1 Constantes de velocidad en Lmol-1s-1 del radical •OH en comparación con el O3
| Compuesto | Reacción indirecta (Radical •OH) | Reacción directa (O3) |
|---|---|---|
| Fenoles | 109-1010 | 103 |
| Alquenos clorados | 109-1011 | 10-1-103 |
| Aromáticos | 108-1010 | 1-102 |
| Cetonas | 109-1010 | 1 |
| Alcoholes | 108-109 | 10-2-1 |
| Alcanos | 106-109 | 10-2 |
Fuente: Sáenz B 25
Debido al alto potencial oxidativo del radical •OH (2.80 V), este es mucho más efectivo en la descomposición de compuestos presentes en el agua, sin embargo, no es selectivo y tiene una vida media muy corta. Adicionalmente, aunque la ozonización actúe en el medio a través de la reacción directa e indirecta, esta tecnología presenta dos problemas importantes: el O3 tiene baja solubilidad en agua y poca estabilidad química (se descompone rápidamente en O2) 26,27.
Para potenciar las ventajas del O3 y optimizar los procesos de tratamiento de aguas residuales, los PAOs combinan el O3 con otros compuestos químicos como el H2O2 (peróxono), y más recientemente, con catalizadores metálicos (ozonización catalítica) y con otro tipo de tecnologías como la luz ultravioleta (ozonización fotocatalítica) para mejorar las características del O3 e incrementar las tasas de oxidación de compuestos orgánicos y otros contaminantes inorgánicos 26. La combinación del O3 con estas tecnologías permite favorecer y oxidar compuestos mediante la producción in situ de agentes radicales, especialmente del radical •OH 4, el cual no es selectivo y, una vez es generado, reacciona de forma rápida y agresiva con la mayoría de las especies orgánicas presentes en el sistema. La Ec.5 muestra como sería la reacción de mineralización de un compuesto orgánico B por acción del radical •OH 28. Además, también se puede producir la oxidación de contaminantes inorgánicos hasta su estado de oxidación estable más alto 29, los cuales pueden ser removidos luego por filtración 30.
3.1.2. Ozonización catalítica
Wang et. al 12 define la OC como el proceso en el cual se utilizan catalizadores que promueven la descomposición de O3 y generan radicales libres activos que mejoran la degradación y mineralización de contaminantes orgánicos sin la necesidad de utilizar luz o ajustar pH del medio. Esta tecnología se ha investigado de manera importante desde el siglo pasado. Hill et al. 31 llevó a cabo una investigación en 1945 en la que utilizó un catalizador de cobalto (Co2+) y encontró que podía catalizar la descomposición de O3 para producir radicales •OH en medio ácido (ácido acético o perclórico). Hewes y Davison 23,32 por su parte, investigaron en 1972 el tratamiento de aguas residuales municipales utilizando metales de transición (Co2+, Ti2+, Mn2+, etc) como catalizadores y encontraron buenos resultados en la remoción de carbono orgánico total (COT).
Actualmente, diversos estudios han encontrado que el uso de ozono junto con catalizadores de óxidos metálicos como MnO2, TiO2, Al2O3 u óxidos metálicos soportados como Cu-Al2O3, Cu-TiO2, Ru-CeO2, Fe2O3/Al2O3, V-O/TiO2, V-O/silica gel y TiO2/Al2O326,33, es un método efectivo para la remoción de contaminantes orgánicos en las aguas residuales ya que se presenta una aceleración significativa del proceso de degradación en presencia de estos catalizadores, sin embargo, a pesar de años de investigación, la tecnología no ha logrado aplicarse ampliamente en la industria. En este punto, es importante hacer la distinción sobre cómo se generan los radicales •OH a partir de la OC y la forma en la que se puede presentar el catalizador en el medio, describiéndose las ventajas y desventajas de ambos métodos:
Ozono Catalítico homogéneo: que utiliza O3 en fase acuosa junto a metales de transición disueltos como Fe (II), Mn (II), Ni (II), Co (II), Cd (II), Cu (II), Ag (I), Cr (III) y Zn (II). La elección del metal de transición aplicado determina no solo la velocidad de reacción, sino también la selectividad y el consumo de ozono 26.
Ozono Catalítico heterogéneo: en donde existe un sistema de 3 fases (gas-sólido-líquido). La fase sólida puede ser un catalizador metálico (óxidos de manganeso, hierro, aluminio, titanio, etc) inmovilizado en un soporte y la fase líquida es el agua residual en donde se burbujea la fase gaseosa, que incluye el O3. La actividad de los catalizadores se basa principalmente en la descomposición catalítica del O3 y la generación mejorada de radicales •OH. El mecanismo de reacción propuesto para describir este método sigue un proceso de adsorción, oxidación, formación de radicales, formación de complejos intermedios y/o mineralización de los compuestos 34, sin embargo, uno de los principales problemas es que se desconoce a ciencia cierta el mecanismo de reacción por el cual se producen las reacciones de adsorción, descomposición de O3 y generación de radicales •OH en la superficie del catalizador, lo que representa una barrera fundamental para el escalamiento de esta tecnología a nivel industrial 35.
Ozono Catalítico homogéneo
En la OC homogénea las especies metálicas están disueltas en el medio acuoso junto con el O3. Este tipo de ozonización se caracteriza porque ocurre la descomposición del ozono por especies metálicas activas 36 en la que la especie metálica (generalmente metales de transición) reacciona con O3 para producir radicales •OH. Por ejemplo, Yildirim et al. 37 indica que el sistema O3/Fe (II) involucra una reacción directa entre Fe (II) y O3 como se indica en las Ec. 6 y 7:
Los autores compararon la mineralización del tinte azoico RR194 a través de ozonización y OC homogénea y se observó que esta última supera los resultados obtenidos por ozonización en cuanto a eficiencia y tiempo de mineralización. En este tipo de sistema la concentración de Fe(II) debe ser baja, ya que a altas concentraciones este reacciona con FeO2+, consumiendo el catalizador en el proceso y transformándolo en Fe(III) a través de una reacción secundaria no deseada37. Esto es una limitación importante que tiene lugar en la OC homogénea.
Otra ruta de acción a tener en cuenta es que los catalizadores no sólo reaccionan con el O3 para producir radicales •OH, sino que algunos también tienen la capacidad de adsorber materia orgánica y promover el contacto con O338,39, sin embargo, aún con las ventajas que tiene el proceso, la OC homogénea generalmente reporta altos costes de operación, debido a que no solamente se tienen costes en la generación de O3, sino también en las unidades de recuperación del catalizador. En este sentido, Ziylan et al.36) analiza las dificultades en la recuperación del catalizador y su estudio es respaldado más recientemente por el artículo de Wang et al.12 al concluir que la OC homogénea no permite la recuperación efectiva del catalizador y, además, utiliza iones de metales pesados que pueden resultar tóxicos aún en muy bajas concentraciones, si permanecieran en el agua luego del proceso de recuperación del catalizador. Lo anterior ha llevado a que, en los últimos años, las investigaciones se hayan centrado cada vez más en la OC heterogénea.
A pesar de esto, la OC homogénea sigue siendo investigada y en los últimos años se han realizado varios estudios a escala de laboratorio sobre esta tecnología en muestras de aguas residuales contaminadas con colorantes, sales, ibuprofeno y otros compuestos farmaceúticos, aguas residuales municipales, efluentes del proceso de blanqueo de papel y efluentes de la industria lechera, con buenos resultados en la reducción de variables como la DQO (Demanda Química de Oxígeno), la DBO (Demanda Biológica de Oxígeno) y el COT. Es importante resaltar que todos estos estudios han sido realizados a escala de laboratorio solamente 40-44. Un resumen de los catalizadores identificados se muestra en la Tabla 2.
Ozono Catalítico heterogéneo
En este tipo de ozonización el catalizador está presente en forma sólida, por lo que se tiene un sistema trifásico en donde ocurre la mineralización del contaminante por la ruptura de enlaces covalentes y la subsecuente formación de CO2, H2O y formas oxidadas de heteroátomos (como nitratos, fosfatos o sulfatos). En este sentido, según Crousier et al. 45 y Yu et al. 46, en la OC heterogénea se producen 5 fenómenos fisicoquímicos principales:
Transferencia de O3 de la fase gaseosa a la fase líquida.
Difusión de moléculas disueltas (O3 y materia orgánica) hacia los sitios activos de la superficie del catalizador.
Adsorción de O3 disuelto y de especies orgánicas.
Reacciones químicas sobre la superficie del catalizador.
Desorción de los productos de reacción.
Aunque en el proceso de adsorción se produce una oxidación de la materia orgánica atrapada en los sitios activos del catalizador, la tasa de adsorción de esta etapa del proceso, en la mayoría de los artículos publicados, es bastante baja, por lo que el factor determinante de este proceso es en realidad la actividad del catalizador que provoca la descomposición de O3 en radicales •OH 37.
La OC heterogénea ha sido ampliamente estudiada en los últimos años porque permite la recuperación del catalizador de manera más eficiente e induce un menor riesgo de envenenamiento del catalizador para su posterior reutilización, de igual manera, es más efectiva en la generación de radicales •OH y permite una mineralización más rápida de la materia orgánica presente en el agua residual 12 en comparación con la OC homogénea. Finalmente, la OC heterogénea es ventajosa debido a las reacciones que se suceden de manera continua y sostenida a través de la superficie activa del catalizador, que no requiere un suministro continuo de reactivos 47.
Una de las áreas que más ha recibido investigación es la relacionada con el mecanismo de reacción de la OC heterogénea, ya que el modelamiento de las reacciones de adsorción que tienen lugar sobre la superficie del catalizador ha sido una tarea ardua y de discusión exhaustiva. Algunos estudios que se centraron en investigar la cinética de la OC heterogénea son los de Beltrán et. al 28,48, los cuales muestran un acercamiento al mecanismo de reacción al tratar un agua contaminada con ácido oxálico a través de un catalizador combinado de Co3O4/Al2O3 y con un catalizador a base de CA, proponiendo que el sustrato S (ácido oxálico) atraviesa las 5 etapas antes mencionadas. Estos autores también establecen que en el medio no sólo ocurren reacciones de degradación de tipo heterogéneo sino también homogéneo y, por lo tanto, la expresión de la velocidad de reacción de degradación del sustrato S tiene la siguiente forma (Ec.8):
Siendo rT la velocidad de degradación total que se expresa como la suma de las contribuciones de la velocidad de degradación por métodos homogéneos y heterogéneos. Al hablar de descomposición homogénea, estos autores se refieren a que el O3 se descompone en el medio acuoso a través de reacciones directas (Ec.3). Luego, la superficie del catalizador se hidroxila y los sitios activos del catalizador se convierten en puntos en donde se generan radicales •OH, como se indica en la Ec.9. Es importante tener en cuenta que la generación de radicales •OH puede provenir, tanto de la superficie del catalizador (forma heterogénea) como de la descomposición del ozono en medio acuoso (forma homogénea), dependiendo de las condiciones de pH, presencia de H2O2 o no, etc. Por ello, aun cuando el catalizador está en forma heterogénea, realmente se producen los dos tipos de OC.
Otros estudios más recientes sobre el mecanismo de reacción de la OC heterogénea respaldan los estudios realizados por Beltrán et al. Huang et al. 49 propone que la reacción de descomposición de ftalato de dibutilo (A) en solución acuosa en presencia de CA cargado con hierro sigue la expresión de la Ec.10, que se asemeja en gran medida a la propuesta por Beltrán et al. en la Ec. 8, donde el sustrato A se degrada por la acción combinada de O3 (ozonización directa o descomposición homogénea) y el radical •OH (ozonización indirecta o descomposición heterogénea). En la Ec.10 kO3 y k•OH representan las constantes de reacción de A con respecto a O3 y •OH, respectivamente.
Seguidamente, otra área de estudios de OC heterogénea es la relacionada con la naturaleza y síntesis del catalizador, los cuales muestran tanto la efectividad de la OC heterogénea en diferentes tipos de aguas residuales (resultados resumidos en la Tabla 2), como el uso de catalizadores a base de materiales novedosos. Investigaciones como las de Nemati et al. 50 y Li et al.51 estudian la efectividad de catalizadores hechos con nanopartículas de gama-alúmina (γ-Al2O3) dopadas con cerio en un método de impregnación-calcinación, encontrando eficiencias de remoción entre el 47% a 93%; mientras que Hu et al. 52 utiliza un catalizador de Co3O4 (nanopartículas de óxido de cobalto) combinado con aerogel macroporoso de carbono (MCA) para la reutilización de un agua real altamente contaminada de la industria textil, el cual le permitió 1) mejorar hasta en un 30% la remoción de DQO del efluente y 2) reutilizar el agua residual hasta 2 veces sin sacrificar la calidad de la tela.
Finalmente, Kolosov et al. 53 realizó estudios de OC en la remoción de E.Coli y CECs (como atrazina, ibuprofeno, naproxeno y gemfibrozil) utilizando 2 tipos de catalizador: el Polonite®, un mineral utilizado comúnmente en la construcción de casas, llamado Opoka 54 y la wollastonita, un mineral de inosilicato de calcio (CaSiO3); luego, compara sus resultados con otros catalizadores convencionales basados en AlO2, TiO2-Al2O3 y zeolitas. Se observó que el Polonite®, la AlO2 y el TiO2/Al2O3 proporcionaron mecanismos para disminuir la dosis de O3 requeridas para alcanzar la desinfección, sin embargo, a diferencia de los dos últimos, el Polonite® no mostró un efecto perceptible en la remoción de CECs. Por otro lado, tanto la wollastonita como la zeolita, no mostraron resultados perceptibles en la remoción ni de E.Coli ni de CECs. A pesar de estos resultados, los autores concluyen que la combinación del Polonite® y el TiO2/Al2O3 entre ellos o con otros catalizadores diferentes, pueden incrementar su actividad catalítica, además de que son más susceptibles a la reutilización debido a su resistencia al envenenamiento y la degeneración.
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores, se presenta la Tabla 2 que resume las ventajas y desventajas de la OC homogénea y heterogénea, los catalizadores más comunes utilizados en ambos tipos de OC y algunos estudios en donde se han aplicado. Seguidamente, se identificaron los 5 artículos más importantes de revisión (Tabla 3) y de investigación (Tabla 4); para cada cita se calculó el índice SI a través de la Ec.1 y se observó que la mayoría de ellos tuvieron citaciones de apoyo sin menciones por contradicción (100%), lo que valida la confiabilidad de la información presentada. Otros artículos tuvieron un índice SI del 0%, lo cual indica que no han recibido hasta el momento menciones de apoyo o contraste.
Tabla 2 Ventajas y desventajas de la OC y principales catalizadores
| Tipo de OC | Ventajas | Desventajas | Tipo de catalizador | Composición del catalizador | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| OC homogénea | La presencia de iones metálicos incrementa la velocidad de reacción entre el O3 y el contaminante | Es necesario instalar otra unidad para recuperar el catalizador | Iones metálicos disueltos | Fe(II), Fe(III), Co(II), Al(III), Mn(II), Cr(III), Ag(I), Cu(II), Zn(II), Cd(II), Pb(II), Ti(II) | 36-44 |
| OC heterogénea | Reutilización y recuperación efectiva del catalizador | Literatura contradictoria sobre si los óxidos metálicos catalizan o no la formación de radicales •OH | Óxidos metálicos | MnO2, Al2O3, TiO2, ZnO, CeO2, Co3O4, CuO, NiO, SnO2, MgO, Fe2O3, FeOOH | 55-58 |
| No se conoce con exactitud el mecanismo de reacción | Materiales no metálicos y minerales | CA (Carbon activado), CNT (Nanopartículas de carbono), MWCNT (Nanotubos de carbono), GO (Óxido de grafeno), MCA (Aerogel macroporoso de carbono), Zeolita, Perovskita, goetita, y otros minerales | 52,53,59-65 | ||
| Mayor cantidad de materiales utilizados como catalizadores | Existen múltiples experimentos a diferentes pH, lo que dificulta la uniformidad de los resultados respecto al mecanismo de Rx | Metáles / Óxidos metálicos soportados | MnCeOx / γ-Al2O3, β-FeOOH / Al2O3, CeO2 / OCNT | 50,51,66,67 | |
| Cu, Ru, Pt, Co soportados en SiO2, Al2O3, TiO2, CeO2, CA | 68-70 |
Fuente: elaboración propia con información de Scopus
Tabla 3 Top 5 artículos de revisión sobre OC con índice SI
| Nombre del artículo | Autores | Fecha | N° de citaciones | Índice SI (%) | Revista | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatment | Kasprzyk-Hordern B, Ziółek M, Nawrocki J | 2003 | 1127 | 100 | Applied Catalysis B: Environmental | 26 |
| The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation | Nawrocki J, Kasprzyk-Hordern B | 2010 | 664 | 100 | Applied Catalysis B: Environmental | 38 |
| Heterogeneous catalytic degradation of phenolic substrates: Catalysts activity | Liotta LF, Gruttadauria M, Di Carlo G, Perrini G, Librando V | 2009 | 339 | 100 | Journal of Hazardous Materials | 71 |
| Fe-based catalysts for heterogeneous catalytic ozonation of emerging contaminants in water and wastewater | Wang J, Bai Z | 2017 | 315 | 100 | Chemical Engineering Journal | 72 |
| Catalytic ozonation for water and wastewater treatment: Recent advances and perspective | Wang J, Chen H | 2020 | 183 | 0 | Science of the Total Environment | 13 |
Fuente: elaboración propia con información de Scopus
Tabla 4 Top 5 artículos de investigación científica y tecnológica sobre OC con índice SI
| Nombre del artículo | Autores | Fecha | N° de citaciones | Índice SI (%) | Revista | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Catalytic ozonation: A promising advanced oxidation technology for water treatment | Legube B, Karpel Vel Leitner N | 1999 | 560 | 100 | Catalysis Today | 73 |
| Surface hydroxyl groups of synthetic α-FeOOH in promoting radical dotOH generation from aqueous ozone: Property and activity relationship | Zhang T et al | 2008 | 250 | 0 | Applied Catalysis B: Environmental | 55 |
| Activated carbon catalytic ozonation of oxamic and oxalic acids | Faria PCC, Órfão JJM, Pereira MFR | 2008 | 249 | 100 | Applied Catalysis B: Environmental | 74 |
| Catalytic oxidation of benzene with ozone over alumina-supported manganese oxides | Einaga H, Futamura S | 2004 | 225 | 100 | Journal of Catalysis | 75 |
| Catalytic ozonation of oxalic acid in an aqueous TiO2 slurry reactor | Beltrán FJ, Rivas FJ, Montero-de-Espinosa R | 2002 | 209 | 100 | Applied Catalysis B: Environmental | 57 |
Fuente: elaboración propia con información de Scopus
3.1.3. Contexto latinoamericano
La situación respecto a las aguas residuales en América Latina es un factor a tener en cuenta, ya que, en promedio, cerca del 70% de las aguas residuales vuelven a los ríos sin ser tratadas 76. Otras estadísticas del banco mundial exponen que sólo el 60% de la población latinoamericana está conectada a un sistema de alcantarillado y un 30 - 40% del agua residual que se capta, se trata realmente 14. Al comparar estos indicadores con el promedio de países de la OCDE, se observa que el 81% de la población de estos países está conectada a un sistema de alcantarillado y el 77% de las personas se benefician del tratamiento de las aguas residuales al estar conectadas una planta específica 76, lo que evidencia una situación preocupante a en el contexto latinoamericano. Estos datos permiten asegurar que las diferencias en el desarrollo de políticas aplicadas a la mejora en la utilización del recurso hídrico de los países latinoamericanos, en comparación con países desarrollados, provocarán en el futuro implicaciones importantes en la salud pública, la sostenibilidad ambiental y la equidad social.
En este sentido, la ONU publicó en el año 2017 el reporte “Reutilizacion de aguas para agricultura en América Latina y el Caribe: estado, principios y necesidades” 77, en donde se expone que el país con mayor producción y tratamiento de aguas residuales es Brasil, seguido por México y luego Colombia. Del mismo informe se extrajo la Figura 5 que muestra cómo se encuentra la reutilización de aguas residuales en la región.
Fuente: adaptado de Mateo-Sagasta 77
Figura 5 Reutilización de aguas residuales municipales en América Latina.
Se observa que las aguas residuales pueden ser tratadas o no y se pueden reutilizar de manera directa (con poca o ninguna dilución de agua limpia) o indirectamente, una vez que se han vertido a otros cuerpos hídricos. Los cuadros naranja, azul, verde y rojo indican en proporción qué el agua residual más reutilizada en la región se hace de forma indirecta (el agua residual se vierte en ríos, por ejemplo) y sin ningún tipo de tratamiento, a excepción de la dilución con agua limpia. Esta es una situación preocupante debido a que ya se ha demostrado la presencia de CECs en agua potable y residual en altas concentraciones en ciudades principales de la región como México, Bogotá, Rio de Janeiro, Minas Gerais y Santiago de Chile 78.
Para hacer frente a este problema, se han identificado en los últimos años estudios relacionados con PAOs, entre ellas, la OC. Por ejemplo, en Colombia Castro et al. 79 realizaron un estudio sobre la evaluación de la OC heterogénea en la degradación de diclofenaco en soluciones preparadas, obteniendo una disminución en el COD y la DQO de entre el 94% y 89%, respectivamente.
Observando la resolución No. 631 de 2015 se observa que en Colombia no existen regulaciones en base a las concentraciones máximas permitidas de CECs en aguas residuales 80, sin embargo, estos compuestos pueden ser candidatos a regulación futura, dependiendo de las investigaciones realizadas sobre sus efectos potenciales en la salud y los datos de monitoreo con respecto a su incidencia 81. De igual manera, en Brasil también se identificaron estudios sobre OC heterogénea en donde se utilizó para tratar efluentes ricos en melanoidina (compuesto que se genera al someter determinados alimentos a altas temperaturas) y lixiviados de rellenos sanitarios municipales 82,83, con resultados de remoción de color y COT del 98% y 80%, respectivamente.
3.2. Mapeo científico y análisis de redes
La Figura 6a y 6b resume la evolución del total de publicaciones en la ventana de estudio estudiada y clasificada por país a nivel internacional y latinoamericano, respectivamente. La búsqueda reportó un total de 1714 artículos (SCOPUS y SciELO Index de Web of Science), de los cuales el 90% son de investigación científica y tecnológica, 5.8% son artículos de conferencia, 2.4% son de revisión, 0.64% son capítulos de libro y el restante otros documentos (artículos de revisión en conferencias, artículos de datos, cartas al editor, etc), con un máximo de 189 artículos publicados durante el año 2021 y con China como el país con más publicaciones a la fecha (967), seguido de Irán (124) y España (79). De estos artículos, en América Latina se reportó un total de 80 publicaciones desde el año 2002, con Brasil como el país con más publicaciones totales (32), seguido de México (18) y Chile (14). Finalmente, solo 13 de estos 80 artículos fueron publicados en revistas latinoamericanas, siendo el 100% de investigación científica y tecnológica.
Fuente: Scopus y SciELO Index
Figura 6 N° de publicaciones por año y por país relacionados con OC (a) en el mundo (b) en América Latina.
3.2.1. Principales conceptos: palabras clave y tipos de CECs
La Figura 7 y 8 muestra la red bibliométrica de palabras clave con un número de co-ocurrencia mínimo de 10 para conceptos clave en OC y tipos de CECs, respectivamente. Para la Figura 7 se identificaron un total de 562 palabras clave, de las cuales se observa la evolución de las principales desde el año 2010 al 2021. El color de las palabras indica el rango de años durante el cual los términos se repiten más veces en relación al número promedio de publicaciones por año.
Fuente: Scopus
Figura 7 Co-ocurrencia de palabras clave. Los colores asignados se basan en el promedio de publicaciones por año.
La Figura 7 permite identificar qué entre el período 2010-2013, las palabras de más importancia están relacionadas con el efecto del pH en el medio acuoso y la actividad de los catalizadores en contaminantes como ácidos orgánicos (como el ácido ftálico y el ácido oxálico), el nitrobenceno y los tintes azoicos. Se observa también la aparición de catalizadores fabricados con materiales cerámicos y el uso de óxidos metálicos, como el dióxido de titanio (TiO2).
Desde el 2013 al 2016 aproximadamente, aparecen en el mapa otros términos relacionados con catalizadores de óxidos metálicos (hierro, titanio, platino, cobalto, cerio, manganeso, zinc y cobre). Se observan también materiales no metálicos para la síntesis de catalizadores como los nanotubos de carbón, los óxidos de grafeno y minerales (hematita y minerales silicatados). Además, los estudios presentan otros tipos de contaminantes, como los alcoholes y fenoles, sustancias húmicas, nitratos, benceno y tolueno; y CECs como el ibuprofeno, la atrazina y el bisfenol-A. De igual manera, se observa la combinación de la OC con luz UV (ozonización fotocatalítica) y ultrasonido, además del acople con otros procesos, mayormente biológicos. Finalmente, entre el año 2016 al 2021, la aparición de términos nuevos se reduce. Las nuevas investigaciones están relacionadas con área del catalizador, su estructura cristalina, la síntesis del mismo por el método de sol-gel, y finalmente, la implementación de OC en compuestos de lantano.
En cuanto a los tipos de CECs, se construyó la Figura 8, en donde se reúnen los principales 30 compuestos que aparecen en estudios de OC desde 1973 al 2021. Se observa que el primer contaminante en aparecer en los estudios experimentales fue el ácido acético en el año 1979. El ácido oxálico es el contaminante más investigado, con un total de 125 ocurrencias desde el año 1995, sin embargo, se reporta un descenso en el grado de ocurrencia desde el año 2018. Otros ácidos carboxílicos, como el ácido húmico y ácido clorobenzoico aparecen en las investigaciones. En segundo lugar, se encuentra el fenol (109) y el butanol (92) comenzando desde el año 1987 y 2004, respectivamente. Durante el año 2021, el contaminante con más ocurrencias fue el tolueno (17), seguido del fenol, el ácido húmico y el benceno. Los CECs de procedencia industrial como el bisfenol-A y los ftalatos se identifican desde el año 2012 y 2006, respectivamente. Otros CECs de tipo farmaceútico son el ibuprofeno, el diclofenaco, la atrazina y el ácido salicílico, los cuales se identifican desde los años 1999, 2008 y 2009 con ocurrencias en aumento, especialmente en el caso de la atrazina y el ibuprofeno para el año 2021. Finalmente, se identifican estudios con pigmentos azoicos, azul de metileno y anilina desde los años 2007 y 2009.
3.2.2. Principales autores
Para realizar el análisis de autoría se tomaron en cuenta autores con un mínimo de 5 publicaciones y 20 citaciones. El tamaño del punto indica el autor con más publicaciones, la agrupación en clústeres indica el índice de co-autoría y el tamaño del vínculo la relación entre los autores. En la Figura 9a, el clúster central muestra un gran n° de autores de nacionalidad china que a su vez son los que más publicaciones tienen, entre ellos, Ma J, Zhang T y Zhao L (entre los años 2010-2014), y otros como Chen Z, Zhang Y, Zhang J, Wang J y Liu Y desde el año 2015 aproximadamente. Entre ellos, el que más citaciones y publicaciones tiene en el área es Ma J, con un total de 90 publicaciones y 3061 citaciones, sin embargo, Kasprzyk-Hodern B, aunque no tiene tantas publicaciones, es el segundo en n° de citaciones (2858), seguido por Nawrocki J (2220). Ma J es un autor que de acuerdo con la Tabla 4, se ha centrado en artículos de investigación científica y tecnológica, mientras que Nawrocki J y Kasprzyk-Hodern B, se han centrado en artículos de revisión, de acuerdo con la Tabla 3. A nivel de Hispanoamérica, Beltrán FJ (España) y Pereira MFR (Portugal) son los autores con más publicaciones (35 y 37, respectivamente) y más citaciones (2122 y 1922, respectivamente). En América Latina, los autores más importantes son Poznyak T (México) y Valdés H (Chile), con 15 y 12 publicaciones, 196 y 314 citaciones respectivamente.
Por otro lado, realizando un zoom de autores latinoamericanos, se tomaron en cuenta autores con un mínimo de 2 publicaciones y 5 citaciones por artículo, en vista del bajo volumen de producción científica respecto de la OC. La Figura 9b muestra los autores principales, observándose que los clústeres con puntos más grandes son los de Poznyak T, que tiene el grupo de autores con mayor número de publicaciones 15 desde el año 2016 aproximadamente; y el de Valdés H (12), con publicaciones alrededor de los años 2010 - 2015. Autores más recientes son Scaratti G (4) y Diaz-Angulo J (2), ambos con publicaciones desde el año 2019 aproximadamente. Finalmente, el autor con mayor número de citaciones es Valdés H (314), seguido de Zaror CA (305).
3.2.3. Principales revistas
Se analizaron las revistas con más publicaciones sobre OC. La Figura 10a muestra las 3 revistas que más publicaciones tienen a la fecha: Applied Catalysis B: Environmental (96), Chemical Engineering Journal (82) y Journal of Hazardous Materials (78), manteniendo una media de 3-6 publicaciones por año desde el año 2001 en el caso de Applied Catalysis B: Environmental y Journal of Hazardous Materials, y desde el año 2006 en el caso de Chemical Engineering Journal. Se identificaron otras revistas centradas en el área de ciencias exactas en donde se publican artículos mayormente relacionados con los fundamentos científicos de la OC, son Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Hazardous Materials, Chemosphere, Water Science and Technology, Huanjing Kexue Environmental Science y Ozone Science and Engineering, siendo esta última en la que se publicaron los primeros artículos de OC (1973). Las revistas que se centran en la aplicación de la tecnología son la Chemical Engineering Journal, Separation and Purification Technology, Journal Of Environmental Chemical Engineering y Desalination and Water treatment, en donde comienzan a aparecer publicaciones que aumentan de manera sostenida en número desde el año 2006 en adelante, lo cual puede significar que la tecnología se está moviendo desde los fundamentos a la aplicación.
La Figura 10b muestra el caso de revistas latinoamericanas, en donde se encontraron solamente 13 publicaciones de OC durante el período 1973-2021. Las revistas con más publicaciones de OC (2) fueron la Brazilian Journal of Chemical Engineering, Ambiente e Agua, Química Nova (todas de Brasil) y la Journal of the Chilean Chemical Society (Chile).
Fuente: elaboración propia con información de Scopus
Figura 10 Principales revistas que publican sobre OC.
Para determinar el impacto y la evolución de las revistas, se seleccionaron las 3 con más publicaciones sobre OC de las Figuras 10a y 10b y se analizaron mediante el índice SJR. Los resultados muestran que Applied Catalysis B es la revista de mayor índice SJR (cuartil Q1), seguida de Chemical Engineering Journal (Q1) y Journal of Hazardous Materials (Q1). En América Latina, las revistas con mayor índice SJR son la Journal of the Brazilian Chemical Society (Q3), Brazilian Journal of Chemical Engineering (Q3) y la Journal of the Chilean Chemical Society (Q3). Los resultados de este análisis se muestran en la Figura 11. Finalmente, las Tablas 5 y 6 muestran el índice SJR, el cuartil y el país de las 5 revistas principales a nivel mundial y en América Latina al año 2021, respectivamente.
Fuente: SJR, Scopus y Web of Science
Figura 11 Evolución del índice SJR. Solo se obtuvieron datos desde el año 2001 en adelante.
Tabla 5 Top 5 revistas científicas que publican sobre OC por índice SJR para el año 2021
| Nombre de la revista | Índice SJR | Cuartil | País |
|---|---|---|---|
| Applied Catalysis B: Environmental | 4.67 | Q1 | Países bajos |
| Chemical Engineerging Journal | 2.53 | Q1 | Países bajos |
| Journal of Hazardous Materials | 2.03 | Q1 | Países bajos |
| Chemosphere | 1.63 | Q1 | Reino Unido |
| Separation and Purification Technology | 1.28 | Q1 | Países bajos |
Fuente: Scimago Journal Rank
Tabla 6 Top 5 revistas científicas latinoamericanas que publican sobre OC por índice SJR para el año 2021
| Nombre de la revista | Índice SJR | Cuartil | País |
|---|---|---|---|
| Journal of the Brazilian Chemical Society | 0.34 | Q3 | Brasil |
| Brazilian Journal of Chemical Engineering | 0.31 | Q3 | Brasil |
| Revista Ambiente e Agua | 0.27 | Q3 | Brasil |
| Química Nova | 0.21 | Q3 | Brasil |
| Journal of the Chilean Chemical Society | 0.20 | Q3 | Chile |
Fuente: Scimago Journal Rank
Se observa que el cuartil más alto de revistas latinoamericanas que publican sobre OC. De igual manera, el volumen de producción científica sobre esta tecnología está en etapas tempranas en la región, lo cual se observa en el n° de artículos publicados. En América Latina la regulación y caracterización de CECs es prácticamente inexistente 84. Este es un motivo importante para explicar el bajo n° de publicaciones en comparación con Europa y Estados Unidos, en donde la regulación de CECs viene estableciéndose y desarrollándose desde antes de la década de los 2000 85. Los reportes realizados en el año 2015 y 2020 por el Banco Interamericano de Desarrollo y el Banco Mundial concluyen en que, si bien se han hecho muchos esfuerzos alrededor de la problemática de las aguas residuales en América Latina, la región todavía afronta graves problemas respecto al (i) marco legal e institucional, (ii) cobertura de servicios, (iii) tratamiento de aguas residuales, (iv) eficiencia operativa y (v) participación de la sociedad civil y autoridades locales 14,86.
3.2.4. Principales países
La Figura 12 muestra el análisis de coautoría por país. Se tuvieron en cuenta publicaciones con un mínimo de 5 citaciones por país. La dimensión de los puntos depende del número de documentos publicados por autores pertenecientes al país relacionado. Los vínculos entre los elementos indican la relación entre los países, que se determina en función del número de documentos en coautoría y el grosor del enlace indica la cantidad de vínculos de coautoría entre los países. La variación del color y la línea de años indica el n° de citaciones recibidas por los artículos publicados.
En la Figura 12a, de los 65 países analizados, 35 cumplieron con las condiciones establecidas. El más alto n° de publicaciones lo tiene China (902), seguido por Irán (123), España (73), Portugal (65) y Estados Unidos (59). Por otro lado, el país con mayor cantidad de redes de co-autoría es China (127 con 18 países, siendo Australia, Estados Unidos y Hong Kong los más importantes), seguido por Estados Unidos (55 con 10 países, siendo China, Canadá y Reino Unido los más relacionados), Hong Kong (37), Australia (29) y España (28). Los colores son indicativos tanto de la antigüedad de la co-autoría como del n° de citas recibidas, ya que los datos están ponderados por el número promedio de citas que recibió el total de artículos de un país. China (19088), España (3204) y Portugal (2685) son los países que produjeron artículos con mayor número medio de citaciones.
Para el caso de América Latina, en la Figura 12b se observa que el mayor n° de publicaciones pertenecen a Brasil (31) y México (17). Brasil tiene redes de coautoría en orden de importancia con Portugal, España y Reino Unido (las más recientes), mientras que México tiene relaciones de coautoría principalmente con Colombia. Chile, por su parte, tiene redes de coautoría con Cuba y Argentina con Portugal. El mayor n° de citaciones corresponde a Brasil (422), seguido por Chile (328) y México (209), sin embargo, se observa que el promedio de publicaciones chilenas se encuentra alrededor de los años 2010-2013, mientras que Brasil y México tienen publicaciones más recientes (años 2016-2018). Colombia es un país que desde el año 2019 ha tomado importancia en el panorama de OC, como lo indican también las Figuras 6bb y 9b (con el cluster del autor Díaz-Angulo J).
3.3. Curva S
Para determinar tendencias y la madurez en publicaciones sobre OC a nivel mundial, se realizó la curva S a través de la Ec. 2. Se seleccionó el modelo logístico porque fue el que se ajustó mejor a los datos y presentó el mejor valor de R2. La Figura 13a muestra la curva S de OC en el período analizado y se observa que, en términos de artículos científicos, la tecnología se encuentra en la etapa de crecimiento. La línea punteada indica el punto de inflexión, en el cual se presenta el cambio de signo de la curva y comienza la etapa de madurez. Se determinó que este punto corresponde a un valor de 1671 publicaciones acumuladas, valor que se alcanzó durante el año 2021, lo cual indica que, según el modelo elegido, la tecnología está ingresando en el período de madurez en términos de publicaciones, sin embargo, todavía requiere mucho más tiempo antes de llegar a la etapa de saturación, lo cual implica un gran potencial de innovación y desarrollo. De igual forma, la curva indica que la OC podría desarrollarse completamente en términos de investigación académica e innovación en los próximos 20 a 30 años, aproximadamente.
La Figura 13b muestra un zoom en la situación de América Latina y se observa que la curva que mejor se ajusta es una de 2 olas. Este tipo curvas son características de cambios en la investigación, en donde la curva 1 (curva azul) indica que desde el 2002 hasta el 2013 aproximadamente, la investigación pasó su punto de inflexión y entró en declive hasta el 2015, y desde el 2015 (curva verde), se identifica que existe un nuevo enfoque, el cual se encuentra en etapa emergente, que está evolucionando a un ritmo productivo y prometedor. Esto podría explicarse con los análisis realizados anteriormente, como los vistos en la Figura 6b, 9b y 12b, en donde se identificaron nuevos autores y países que están entrando en el panorama de investigación de OC. Los artículos identificados en países latinoamericanos desde el año 2015 muestran que las investigaciones en OC se están desplazando desde el enfoque de mecanismos y cinéticas de reacción a estudios en donde la OC se combina con otras tecnologías, como la ozonización fotocatalítica, coagulación/floculación, membranas poliméricas y otros catalizadores, especialmente a escala nano 87-89.
4. Conclusiones
La OC como tecnología en el tratamiento de aguas residuales (domésticas e industriales) ha recibido importante financiación en los últimos años, lo cual se ha visto traducido en un aumento exponencial de la producción bibliográfica, sin embargo, aún quedan muchos retos por afrontar para su implementación industrial.
Se observa que hay muy pocos estudios de OC a escala piloto y en aguas reales, siendo la mayor parte de la investigación aplicada en matrices de agua preparada con sustancias químicas de grado analítico a nivel de laboratorios.
Las desventajas de la OC hasta ahora identificadas radican en la generación de subproductos, el rendimiento en aguas reales y en que todavía no se conoce con exactitud el mecanismo de reacción que tiene lugar, sin embargo, para tratar de incrementar los rendimientos y atenuar sus desventajas se ha venido combinando con otros tratamientos como las membranas, tratamientos biológicos, ultrasonido, fenton, radiación UV (ozonización fotocatalítica), entre otras.
Otras investigaciones recientes se han centrado en sintetizar catalizadores a escala nano con nuevos materiales para aumentar el rendimiento del proceso y disminuir los costos operativos. Algunos de los materiales más novedosos son los óxidos de grafeno, espumas metálicas hechas con impresoras 3D, soportes de tipo película polimérica, zeolitas, CA modificado, minerales modificados con metales como las perovskitas y la goetita, entre otros.
El análisis bibliométrico demostró que China es el país más importante, con una contribución del 47% a la producción bibliográfica mundial de OC, mientras que en América Latina el país más importante es Brasil, con una contribución del 1.5. En lo referente a tipos de contaminantes, se identificó que los más investigados son el ácido oxálico y el fenol, mientras que de los CECs, el ibuprofeno, la atrazina, el ácido salicílico y el bisfenol son algunos de los que más ocurrencias reportaron.
Finalmente, la curva S de la tecnología mostró a nivel mundial, que la OC se encuentra en la etapa de crecimiento, con gran potencial para la I+D, mientras que en América Latina está en etapa emergente desde el año 2015.
