Evaluación de fotocatalizadores nanoestructurados basados en TiO2 y su efectividad en el tratamiento de bacterias patógenas y contaminantes orgánicos

Abstract

El trabajo de grado presentado en este documento, se encuentra organizado en cuatro capítulos que contienen información relevante para comprender la importancia de la investigación desarrollada, así como los datos necesarios para dar alcance a los objetivos propuestos. Inicialmente, en el capítulo 1 se incluye una descripción detallada del referente teórico y el estado del arte en el área de Fotocatálisis Heterogénea, de igual manera se realiza la descripción de los mecanismos de tratamiento, así como un recuento de los trabajos dedicados al estudio de los contaminantes analizados en la presente investigación, por último, se presentan los objetivos de la tesis de maestría. En el segundo capítulo del documento se describe detalladamente la metodología empleada para la síntesis de los fotocatalizadores y las técnicas de análisis instrumental utilizadas para la caracterización físico-química de los de los mismos. Adicionalmente, se indican los métodos y equipos empleados para el seguimiento de las reacciones fotocatalíticas y la configuración de los sistemas de reacción usados para determinar la actividad de los fotocatalizadores sintetizados. En el tercer capítulo se describen y analizan los resultados de la caracterización físico-química de los materiales fotocatalíticos sintetizados. Por último, en el cuarto capítulo se incluyen los resultados de la evaluación de desempeño fotocatalítico de las series de materiales preparados, en reacciones fotocatalíticas de interés ambiental e industrial. El presente trabajo de investigación se llevó a cabo en el laboratorio del Grupo de Catálisis de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia en colaboración con instituciones de investigación de México y España. La investigación involucra el estudio de diferentes series de materiales fotocatalíticos basados en Dióxido de Titanio (TiO2) modificados por procesos de fluorización, sulfatación, fotodeposisción de metales nobles y sensibilización con colorantes. Estos materiales se evaluaron en reacciones fotocatalíticas de gran interés en el campo de la remediación ambiental y en la síntesis de compuestos de alto valor agregado. En la investigación se empleó como material de referencia TiO2 sintetizado en el laboratorio por el método Sol-gel y posteriormente sometido a diferentes tratamientos para la obtención de materiales con características optimizadas. Así, la serie 1 de fotocatalizadores se obtuvo mediante la modificación del TiO2 por procesos de fluorización, sulfatación y fotodeposición de diferentes contenidos de oro (Au) y platino (Pt). La segunda serie de fotocatalizadores corresponde a TiO2 en forma de polvo y de nanotubos modificados a través de sensibilización con los colorantes Protoporfirina de Zinc y Quinizarina. Los fotocatalizadores sintetizados fueron ampliamente caracterizados para determinar sus propiedades físico-químicas. Para ello, se emplearon diferentes técnicas como: Difracción de Rayos-X, Fisisorción de N2, Espectrometría de Fluorescencia de Rayos-X, Espectrofotometría UV-Vis de Reflectancia Difusa, Microscopía Electrónica de Transmisión y Espectroscopia Fotoelectrónica de rayos-X. Adicionalmente, se evaluó la actividad de los materiales en tres reacciones fotocatalíticas de interés ambiental que incluyeron el tratamiento de bacterias patógenas presentes en aguas residuales, la fotodegradación de Fenol y Naranja de Metilo (MO) y la foto-oxidación de Glicerol orientada a la obtención de compuestos de alto valor agregado, los ensayos de esta última reacción se llevaron a cabo en el Centro Conjunto de Investigación en Química Sustentable de la Universidad Autónoma del estado de México y la Universidad Nacional Autónoma de México, en el marco de una estancia de investigación a través del proyecto SGI 1709. En general, se encontró que la modificación superficial del TiO2 mediante procesos de fluorización, sulfatación y fotodeposición de metales nobles (Au y Pt) permite la obtención de materiales con propiedades fotocatalíticas optimizadas debido a la formación de la fase cristalina Anatasa del TiO2 que es considerada la forma más activa en fotocatálisis, además, los tratamientos indujeron una mayor absorción del TiO2 en la región visible del espectro electromagnético, en el rango comprendido entre 400 y 800 nm, disminuyeron el valor de Band gap y aumentaron la superficie específica del TiO2. Por su parte, la fotosensibilización con los colorantes Protoporfirina de Zinc y Quinizarina fue un tratamiento efectivo que permió obtener materiales de TiO2 (en forma de polvo y nanotubos) con actividad fotocatalítica bajo radiación visible, debido al aumento de la absorción en esta región y a la reducción de la energía de Band gap. En cuanto a la actividad fotocatalítica, se encontró que los fotocatalizadores nanoestructurados basados en TiO2 modificado por tratamientos de fluorización, sulfatación y fotodeposición Au y Pt son materiales altamente efectivos en el tratamiento de bacterias patógenas presentes en muestras de aguas residuales urbanas. Por su parte, la sensibilización con colorantes es un método efectivo para obtener fotocatalizadores de TiO2 activos y efectivos en la fotodegradación de Fenol y MO. De igual manera, la modificación superficial del TiO2 por adición de flúor y 2 wt.% de Pt, conduce a la obtención de materiales efectivos en la foto-oxidación de Glicerol orientada a la obtención de Gliceraldehído (GCA). De acuerdo con los resultados obtenidos, se considera que el tratamiento fotocatalítico basado en TiO2 representa una alternativa eficiente y prometedora para el tratamiento de diferentes contaminantes presentes en efluentes domésticos e industriales y para la obtención compuestos de alto valor agregado.