Esquema de mecanismo de Fotocatálisis

Fotocatálisis

Aplicación de la fotocatálisis para la eliminación de las bacterias Escherichiacoli y Klebsiellapneumoniae en el agua de uso domestico mediante el aprovechamiento de un catalizador de TiO2 dopado con Mn y Co.

Introducción

La fotocatálisis parte del principio natural de descontaminación de la propia naturaleza. Al igual que la fotosíntesis, gracias a la luz solar, es capaz de eliminar CO2 para generar materia orgánica, la fotocatálisis elimina otros contaminantes habituales en la atmósfera, como son los NOx, SOx, COVs, mediante un proceso de oxidación activado por la energía solar.

Este fenómeno se lleva a cabo cuando un semiconductor absorbe un fotón con una energía hv igual o superior al valor de su energía de banda prohibida, Eg (que es la energía mínima necesaria para convertir el material en un conductor), un electrón de la banda de valencia se promueve hacia la banda de conducción (Ver Figura 1).

Figura 1. Esquema de mecanismo de Fotocatálisis

Esto conduce a la formación de dos portadores de carga: electrones en la banda de conducción, eˉCB, y un electrón vacío positivo dentro de la banda de valencia, que se conoce como un "hueco" y generalmente indicado con h+VB. Los electrones en estado excitado dentro de la banda de conducción y los huecos dentro de la banda de valencia puede recombinarse y disipar la energía inicial en forma de calor. También podrían ser atrapados en los estados superficiales meta estable o reaccionar con las moléculas adsorbidas en la superficie del semiconductor, aceptando y donando electrones.

Por medio de la fotocatálisis se puede eliminar la mayor parte de los contaminantes presentes en las zonas urbanas: NOx, SOx, compuestos orgánicos volátiles (VOCs), CO, metil mercaptano, formaldehído, compuestos orgánicos clorados, compuestos poli aromáticos. Los materiales de construcción tratados con un fotocatalizador eliminan sobre todo las partículas NOx que están producidas por los vehículos, la industria y la producción de energía.1

La historia de la fotocatálisis

• 1967: Los profesores AkiraFujishima y Kenichi Honda descubren el comportamiento fotocatalítico del TiO2.

• 1972: Los efectos de Ti02 son publicados en la revista Nature.

• 1989: Descomposición de las materias orgánicas por fotocatálisis y purificación de agua contaminada.

• 1990: Fotodegradación de NOx por TiO2. Descubrimiento de las propiedades antibacterial y autolimpiante.

• 1994: La primera aplicación comercial sale al mercado: las piezas cerámicas fotocatalíticas.

• 2001: Publicación de ensayos científicos sobre fotocatálisis.

• 2003: Aplicaciones para la reducción de la contaminación en interiores.

• 2006: Creación de la FFP (Federation Française de la Photocatalyse).

• 2008: Estudios sobre la normativa AFNOR B44A (en Francia).

• 2009: Creación de la EFP (European Federation of Photocatalysis).

• 2011: Creación de la AIF (Asociación Ibérica de la Fotocatálisis).

Principales aplicaciones fotocataliticas

• Separación y anclaje de la molécula del agua

• Captura de CO2 y producción de combustible

• Purificación de aire y agua

• Efecto antimicrobiano

• Conversión de la energía solar

• Efecto autolimpieza y fácil limpieza

• Efecto antiempañante

• Producción de hidrógeno a través de la disociación de la molécula del agua.2

El agua está contaminada muy comúnmente por agentes externos a lo que es la basura sólida, esto es mediante microorganismos patógenos presentes en heces fecales tanto de humanos como animales.

Las bacterias más dañinas que podemos encontrar en el agua son la Escherichiacoli, Lactobacillus, Streptococos y Klebsiellapneumoniae, los cuales causan muchas enfermedades para los seres humanos al momento de ser ingeridas por accidente, o por no tener una fuente de agua potable cercano.

Las principales enfermedades que causan son infecciones intestinales y extra intestinales generalmente graves, tales como infecciones del aparato excretor, vías urinarias, cistitis, meningitis, peritonitis, mastitis, septicemia y neumonía Gram-negativa, infecciones de tejidos blandos, e infecciones de herida quirúrgica. Son especialmente susceptibles los pacientes ingresados en unidades de cuidados intensivos, neonatos, y pacientes con EPOC, diabetes mellitus, entre otros. Díaz M.A. 3

Fotocatálisis

Desarrollo

Procesos de oxidación avanzada

Los procesos de oxidación avanzada (POA) constituyen en el futuro una de las tecnologías más utilizadas en el tratamiento de las aguas contaminadas con productos orgánicos recalcitrantes provenientes de industrias (químicas, agroquímicas, textiles, de pinturas, etc.). Entre estos procesos los de mayor perspectiva son los de la fotooxidación en sus dos variantes: fotólisis y fotocatálisis.

Los POA pueden definirse como procesos que implican la formación de radicales hidroxilo (OHº) altamente reactivos ya que presentan un elevado potencial de oxidación (Eº = 2.8 V), característica que lo hace de gran efectividad para el proceso de oxidación de compuestos orgánicos principal mente por abstracción de hidrógeno; es decir, se generan radicales orgánicos libres, para formar peroxiradicales. Incluso pueden iniciarse reacciones de oxidación en serie que pueden conducir a la mineralización completa de los compuestos orgánicos. Garcés et al.4

Las ventajas de los POA son:

• Capacidad potencial para llevar a cabo una profunda mineralización de los contaminantes orgánicos y oxidación de los compuestos inorgánicos hasta dióxido de carbono e iones (cloruros, nitratos).

• Reactividad con la mayoría de compuestos orgánicos, hecho principalmente interesante si se quiere evitar la presencia de subproductos potencialmente tóxicos presentes en los contaminantes originales que pueden crearse mediante otros métodos.

• Descomposición de los reactivos utilizados como oxidantes en productos inocuos.

La fotólisis

Los métodos fotolíticos para la degradación de contaminantes disueltos en el agua se basan en proporcionar energía a los compuestos químicos en forma de radiación, que es absorbida por las distintas moléculas para alcanzar estados excitados en el tiempo necesario para experimentar reacciones. En presencia de radiación ultravioleta se produce la fotólisis

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