Ozonación fotocatalítica del ácido tereftálico con TiO2 y ZnO modificados superficialmente en presencia de LEDs

Abstract

RESUMEN: La presente tesis estudia la modificación superficial de dos óxidos metálicos (TiO2 y ZnO) mediante la impregnación con vanadio (VxOy/TiO2 y VxOy/ZnO) y la sensibilización con azul de metileno (AzMTiO2 y AzMZnO). La caracterización de los fotocatalizadores de vanadio se realizó mediante espectroscopía de reflectancia difusa, difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de transmisión (TEM), adsorción de N2 a temperatura constante, espectroscopía de fotoelectrones inducidos por rayos X (XPS) y determinación de punto isoeléctrico. Los fotocatalizadores sensibilizados solo se caracterizaron mediante reflectancia difusa debido a que estudios previos demostraron que no existe una modificación significativa en las propiedades del semiconductor. Tanto los fotocatalizadores impregnados como los sensibilizados se evaluaron en la fotocatálisis del ácido tereftálico usando dos fuentes de irradiación (lámpara de luz negra y LEDs violetas). A partir de la fotocatálisis, solo los semiconductores impregnados con vanadio fueron estudiados en la ozonación fotocatalítica del ácido tereftálico con el objetivo de analizar el efecto de la fuente de irradiación (lámpara de luz negra y los LEDs violetas) y de la distribución de los LEDs (emisión central y externa). Se observó que el grado de remoción del ácido tereftálico en fotólisis (con la lámpara de luz negra o los LEDs violetas), y por adsorción (en los semiconductores con y sin modificaciones superficiales) fue menor al 10% en ambos casos. Sin embargo, el proceso fotocatalítico mostró un 20% de eliminación en presencia de LEDs con TiO2 y ZnO, un 15% en presencia de la lámpara de luz negra con TiO2 y solo un 12% en combinación con ZnO. El porcentaje de descomposición de ozono en ausencia del compuesto modelo mostró la siguiente tendencia: LEDs≈O3<TiO2≈VxOy/TiO2<VxOy/ZnO≈ZnO<VxOy/ZnO-LEDs<ZnO-LEDs, indicando que la presencia de LEDs en combinación con ZnO y su correspondiente modificación puede incrementar la formación de radicales OH. La evaluación de los semiconductores con y sin vanadio en los sistemas con ozono mostraron un perfil similar en la eliminación del compuesto modelo, logrando remover más del 90% durante 30min. Sin embargo, la presencia de vanadio contribuyó a que algunos de los intermediarios identificados mediante HPLC (ácido mucónico, ácido fumárico y ácido oxálico) presentaran velocidades de formación y descomposición mayores. La caracterización por XPS de los fotocatalizadores de vanadio después de la ozonación fotocatalítica demostró que VxOy/ZnO posee mayor estabilidad respecto a su homólogo VxOy/TiO2. ABSTRACT: This thesis studies the surface modification of two metal oxides (TiO2 and ZnO) by impregnation with vanadium (VxOy/TiO2 and VxOy/ZnO) and sensitization with methylene blue (AzMTiO2 and AzMZnO). Vanadium photocatalysts were characterized by diffuse reflectance spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), N2 adsorption at constant temperature, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and isoelectric point determination. Sensitized photocatalysts were characterized only by diffuse reflectance because previous studies demonstrated no significant change in the semiconductor properties. Both photocatalysts (impregnated and sensitized) were evaluated with terephthalic acid as model compound and using two sources of radiation (black light and violet LEDs). From photocatalysis only impregnated semiconductor were studied in the photocatalytic ozonation of terephthalic acid in order to analyze the effect of the irradiation source (black light and violet LEDs) and irradiation distribution of the LEDs (central and external emissions). It was observed that the degree of terephthalic acid removal by photolysis (with black light or violet LEDs), and adsorption (in semiconductors with and without surface modification) was less than 10% in both cases. However, the photocatalytic process showed a 20% removal in the presence of TiO2 and ZnO LEDs with 15% in the presence of the black light with TiO2 and only 12% in combination with ZnO. The percentage of ozone decomposition in the absence of model compound showed the following tendency: LEDs≈O3<TiO2≈VxOy/TiO2<VxOy/ZnO≈ZnO<VxOy/ZnO-LEDs<ZnO-LEDs, indicating that the presence of LEDs in combination with ZnO and its corresponding modification may increase the formation of OH radicals. The semiconductors evaluation with and without vanadium by ozone systems showed a similar profile in the model compound elimination, removing more than 90% in 30 min. However, the presence of vanadium contributed to some of the intermediates identified by HPLC (muconic acid, fumaric acid and oxalic acid) showing higher formation and decomposition rates. XPS characterization of vanadium photocatalysts after photocatalytic ozonation showed VxOy/ZnO has good stability in comparison with VxOy/TiO2.