Desarrollo de soportes funcionales para fotocatalizadores basados en TiO2 para el tratamiento de aguas

Desarrollo de soportes funcionales para fotocatalizadores basados en TiO2 para el tratamiento de aguas.

Germán Eduardo Borrás Osorio*

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes.

* ge.borras10@uniandes.edu.co

Septiembre, 2017

Resumen.

       Se han fabricado complejos malla acero inoxidable 304-TiO2 con el método de revestimiento por inmersión con sol-gel, realizando variaciones en la formulación de las suspensiones del fotocatalizador y las condiciones de secado y limpieza del substrato, con el fin de mejorar la mojabilidad del TiO2 en las mallas metálicas y lograr complejos con una distribución uniforme de fotocatalizador sobre la superficie del substrato. El indicador de desempeño seleccionado para esta fase preliminar fue el análisis cualitativo de los complejos fabricados, buscando tener una capa uniforme de fotocatalizador en la superficie de la malla, por medio de un microscopio electrónico de barrido (SEM, Phenom ProX), encontrando que los mejores resultados fueron obtenidos con la activación de superficie con HCl y secado con aire a presión previos al recubrimiento con inmersión y la suspensión asociada a la formulación 1, sin escurrimiento antes del proceso de calcinación.

Palabras clave: Inmovilización de TiO2, Malla de acero inoxidable, Tratamiento solar de aguas, Fotocatálisis heterogénea, Sol-gel.

1. Introducción.

       Algunas de las principales problemáticas mundiales en la actualidad se encuentran relacionadas con el agua, tales como los problemas de sanidad y el acceso limitado a fuentes limpias de este líquido, sumado al agotamiento de este recurso a nivel mundial. Ante esta situación, la búsqueda de métodos eficientes de descontaminación y desinfección de agua, los cuales deben considerar además del costo energético y económico, el impacto ambiental de los procesos llevados a cabo y los químicos que lo acompañan [1].

       Los métodos convencionales de tratamiento de aguas normalmente requieren de recursos energéticos, químicos y económicos elevados, lo cual limita su implementación en la mayoría de países. A su vez, se asocian con tratamientos químicos intensivos, en los cuales el uso de amoníaco, compuestos organoclorados, permanganatos, sales de aluminio y hierro, entre otros, y residuos asociados (lodos, desperdicios tóxicos), lo cual genera problemas de contaminación y salinización de recursos hídricos [1].

       Frente a la problemática de los métodos convencionales de tratamiento de aguas, los procesos de oxidación avanzada, tales como la fotólisis y la fotocatálisis, brindan una solución a la problemática planteada sin las consideraciones de impacto ambiental de los métodos convencionales. Estos procesos son empleados en la degradación de contaminantes orgánicos presentes en el agua o el aire, en los cuales se tiene generación y reacciones sucesivas de radicales hidroxilo, capaces de oxidar compuestos orgánicos, produciendo radicales orgánicos. Estos radicales se unen a moléculas de oxígeno, produciendo radicales peroxilo. Finalmente, estas reacciones de degradación oxidativa culminan en la producción de dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas [1] [2].  

      Dentro de estos procesos se destaca la fotocatálisis heterogénea con el uso de semiconductores inorgánicos, la cual es capaz de oxidar y mineralizar casi cualquier contaminante orgánico. Este proceso requiere de un consumo energético elevado, por lo que los procesos de fotocatálisis solar heterogénea presentan un ahorro económico grande, dado que usan una fuente de energía renovable para la foto-excitación del catalizador, los proceso se llevan a cabo a condiciones de presión y temperatura ambientales, la oxidación de los compuestos a CO2 es completa y el oxígeno necesario para la reacción es obtenido de la atmosfera [1] [3].

       Otro proceso de oxidación avanzada es la fotocatálisis homogénea o foto-fenton, con el cual se obtiene altas eficiencias en la degradación de contaminantes. Sin embargo, este proceso requiere el uso de sulfato de hierro y peróxido de hidrogeno, especies químicas que aumentan el costo de operación de este método de tratamiento [4].

       El dióxido de titanio es uno de los fotocatalizadores más utilizado en la fotocatálisis heterogénea debido a su alta disponibilidad en el mercado, estabilidad química y alta foto-actividad. A pesar de ello, la complejidad en la recuperación de este catalizador del medio tratado, luego de la culminación de la oxidación, representa un obstáculo en la implementación de este fotocatalizador a escala industrial. Frente a esto, se han desarrollado una serie de estrategias de fijación del TiO2 a soportes interés, tales como vidrio, metal, materiales porosos y películas de polímero, en miras de dar una aplicación a gran escala de la fotocatálisis heterogénea [3]. Con la fijación de TiO2 se elimina el proceso de separación de este y el efluente tratado, reduciendo la complejidad y costo del tratamiento de aguas [5].

       El acero inoxidable brinda ventajas notables frente a los otros substratos comúnmente empleados. Primero, debido a que es un metal, puede ser usado en el proceso electroquímico, para cerrar el circuito eléctrico y tener la posibilidad de suministrar energía eléctrica al proceso, cosa que no permiten otros substratos como vidrios y cerámicas. Segundo, este puede ser dispuesto en geometrías complejas con el fin de optimizar la distribución de luz dentro del sistema. Dichas geometrías complejas incluyen estructuras malladas, las cuales son atractivas para el escalamiento del sistema, por su alta área superficial disponible y la poca obstrucción a los rayos de luz que inciden en el sistema [6].  

       Se tienen varias técnicas de inmovilización de nanopartículas de TiO2 en un substrato, las cuales usan métodos para lograr que el fotocatalizador se encuentre fijado en el substrato. Dentro de estos métodos se encuentra el de recubrimiento por inmersión, “dip-coating”, con sol-gel, el cual requiere el sometimiento a altas temperaturas del complejo substrato-TiO2 para lograr estructuras cristalinas adecuadas y una alta adherencia del fotocatalizador en el substrato. Dicho proceso incluye pasos fundamentales, tales como el secado y limpieza del substrato, la preparación de un medio que contenga las nanopartículas de TiO2, en donde se busca tener un medio liquido con nanopartículas de fotocatalizador dispersas, la inmersión del substrato en el medio preparado y, como ultimo paso, un proceso de calcinación. Este ultimo paso restringe el uso de substratos con baja resistencia térmica. El sometimiento del complejo substrato-TiO2 a una temperatura de calcinación superior a la óptima causa la reducción de la actividad fotocatalítica del fotocatalizador, debido a la reducción del área superficial disponible y al cambio de fase anatasa a rutilo, siendo esta ultima una fase menos activa [3] [5].

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