El conocimiento de los efectos nocivos que tiene la contaminación sobre el medio ambiente y la salud de las personas se ha traducido durante las últimas décadas en políticas ambientales encaminadas a su reducción en todas sus vertientes, entre las que se encuentra la contaminación atmosférica. Unos de los principales contaminantes atmosféricos son los compuestos orgánicos volátiles, los cuales se liberan a la atmósfera debido a diferentes actividades humanas, representando la actividad industrial un elevado porcentaje de las emisiones totales de estos compuestos. En contacto directo, los compuestos orgánicos volátile están asociados a la aparición de cáncer bajo largos periodos de exposición o causar irritación ocular y respiratorio en periodos cortos de contacto. Además, estos compuestos participan activamente en numerosas reacciones atmosféricas contribuyendo a la generación de ozono troposférico capaz de generar a su vez problemas ambientales asociados. Por tanto, resulta necesaria la reducción de estas emisiones, y cuando no sea posible, su tratamiento mediante tecnologías económica y ambientalmente sostenibles. En este último sentido, tanto la fotocatálisis, como los tratamientos biológicos y el tratamiento con plasma son técnicas innovadoras que presentan ventajas frente a las técnicas convencionales como un impacto ambiental menor, que hay que seguir estudiando y desarrollando para impulsar su aplicación industrial como tecnología de tratamiento alternativo. Así pues, este trabajo de tesis doctoral está dirigido con el objetivo principal de estudiar la viabilidad de estas técnicas en la depuración de emisiones de compuestos orgánicos volátiles. Para llevar a cabo este estudio, el trabajo se ha realizado en tres fases: estudio del proceso fotocatalítico, combinación de esta técnica con la biofiltración y, finalmente, estudio de la aplicación de plasma y su combinación con la fotocatálisis. En la primera fase se estudió la geometría más adecuada para realizar los posteriores experimentos. Después de comparar parámetros como la eficacia de eliminación y la pérdida de presión se eligió una geometría anular con iluminación central y catalizador soportado en fibra de vidrio en el anillo formado entre conducciones. Se realizaron estudios de rendimiento del fotorreactor en función de los principales parámetros de operación, carga volumétrica de contaminante, tiempo de residencia, tipo de soporte del catalizador, humedad relativa, la carga de catalizador, la intensidad y saturación lumínica y diferentes contaminante a tratar. Como contaminantes orgánicos volátiles se trabajó con el acetato de butilo, el tolueno y el xileno, compuestos habituales en las corrientes de gas residuales del sector del mueble, del papel, del tratamiento de superficies y de síntesis de compuestos orgánicos entre otros. Además, estos compuestos se combinaron entre sí para ver el efecto competitivo y aproximarse al tipo de emisión real que podemos encontrar en las industrias. Tras la puesta en marcha se determinaron las cargas volumétricas máximas, el efecto competitivo entre los compuestos, la existencia de desactivación y el método más adecuado para regenerar el catalizador, el efecto de la intensidad lumínica, la humedad relativa, el tipo de soporte y la obtención de las constantes de reacción para distintos modelos cinéticos basados en el modelo de Langmuir-Hinshelwood. La segunda fase del trabajo corresponde al estudio del acoplamiento del tratamiento fotocatalítico con un sistema de tratamiento biológico. El montaje del biofiltro se realizó después del estudio previo de parámetros como el tiempo de residencia, del tipo de relleno y del compuesto orgánico volátil. En este sentido se puso en funcionamiento el sistema biológico en unas condiciones en las cuales el biofiltro no tuviera una eliminación muy elevada y poder ver el efecto del acoplamiento. Se hizo trabajar el reactor fotocatalítico como pretratamiento con y sin radiación ultravioleta de forma que se puedo evalúa la sinergia obtenida, así como los cambios producidos en el sistema biológico a lo largo de todas las etapas, la evolución del perfil del compuesto orgánico volátil y de la comunidad microbiana a lo largo del biofiltro. Finalmente la última fase del trabajo desarrollado en l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes, se puede dividir en dos grandes partes. En ambas, se ha utilizado isovaleraldehído, un compuesto orgánico volátil presente en emisiones de industrias como la farmacéutica, pesticida, disolventes y suavizantes. En la primera parte se diseñó y construyó el fotorreactor rectangular como paso previo al cambio de escala. Con este reactor se estudiaron diversos parámetros de operación (la concentración de entrada de contaminante, el caudal utilizado y la humedad relativa), y también la intensidad lumínica, el número de láminas, la distancia entre la luz y el catalizador y el efecto de la competencia con otro compuesto (ácido isovalérico). En la segunda parte, se abordó la utilización del plasma para eliminar el compuesto orgánico volátil de referencia. Para realizar el estudio, al igual que en la primera parte, se variaron los parámetros de operación ampliando estos con el voltaje aplicado al sistema. Una vez estudiados estos parámetros se combinó el reactor rectangular con el plasma o de descarga de barrera dieléctrica en un mismo reactor para ver la sinergia que presentaba el uso de las dos técnicas.

Knowledge of the harmful effects of pollution on the environment and people’s health has led in recent decades to an environmental policy aimed at the reduction of pollution in all its aspects, including air pollution. Among the main air pollutants are the volatile organic compounds, which are released into the atmosphere due to various human activities, industrial activity representing a high percentage of the total emissions. In direct contact, the volatile organic compounds are associated with the development of cancer over long periods of exposure, and cause eye irritation and breathing difficulty for short periods of contact. Furthermore, these compounds are active in many atmospheric reactions contributing to the generation of tropospheric ozone which is capable in turn of generating environmental associated problems. It is therefore necessary to reduce these emissions, and if that is not possible, the emissions should be treated with economically and environmentally sustainable technologies. For this purpose, photocatalytic, biological and plasma treatments are innovative techniques that show advantages over conventional techniques, such as reduced environmental impact, but more studies are necessary to develop and boost their industrial application as an alternative to existing treatment technologies. Thus, the study of the feasibility of these techniques in the removal of volatile organic compound emissions is the primary purpose of this PhD. To carry out this study, the work was developed in three phases: the study of the photocatalytic process, the study of the combination of this technique with biofiltration and, finally, the study of the application of plasma and its combination with photocatalysis. The first phase was the study of the most suitable geometry for subsequent experiments. A reactor with annular geometry and supported catalyst in glass fibre was chosen after comparing the main performance variables such as the removal efficiency and pressure drop. Studies were carried out to determine the efficiency of the photoreactor according to key operation parameters, such as pollutant inlet load, residence time, type of catalyst support, relative humidity, catalyst loading, light intensity and saturation and type of contaminant. In this phase, butyl acetate, toluene and xylene were selected as volatile organic contaminants. These compounds are common in waste gas streams from furniture and paper production. Furthermore, these compounds were mixed together to observe the possibility of a competitive effect and simulate a real industrial emission. Following the start up of the reactor, the maximum volumetric loads, the competitive effect between the compounds, the existence of deactivation and the most appropriate method to regenerate the catalyst, the effect of light intensity, relative humidity, the type of catalytic support, and the reaction constants for different kinetic models based on the Langmuir-Hinshelwood model were determined. The second phase of this work was the study of the combination of photocatalytic treatment with a biological treatment system. The installation of a biofilter was made after the previous study of parameters such as residence time, the type of support and the volatile organic compound. For this purpose, the biological system was launched under conditions in which the biofilter did not have a very high removal efficiency so as to properly observe the effect of the combination with the photocatalytic system. Thus, in order to evaluate the synergy in the system, the reactor was operated with a pretreatment with and without using UV radiation, as well as changes in the biological system during all stages, the evolution of the volatile organic compound profile and the microbial community along the biofilter. Finally, the last phase of the work developed at the Ecole Nationale Superieure de Chimie de Rennes, was divided into two parts. In both parts, isovaleraldehyde, a volatile organic compound present in industrial emissions such as pharmaceuticals, pesticides, solvents and softeners, was used. In the first part, a rectangular photoreactor was designed and built as a first step for the industrial scale. In this reactor various operating parameters were studied (inlet concentration of contaminant, the flow rate used and relative humidity), together with light intensity, the number of layers, the distance between the light and the catalyst and the effect of competition with another compound (isovaleric acid). In the second part, the use of plasma to remove the volatile organic compound was studied. To conduct the study, as in the first part, the operation parameters were varied to determine its influence in the system. Once these parameters were studied, the photocatalysis was combined with dielectric barrier discharge in the same reactor to show the synergy presented by the use of the two techniques.