Tes is Final

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

COLEGIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

TESIS

PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO QUÍMICO

DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA DE COLORANTES TEXTILES INDUSTRIALES PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES EMPLEANDO

TiO2 DOPADO CON NANOPARTÍCULAS DE Au.

PRESENTA:

OSVALDO GÓMEZ JUÁREZ

ASESOR: Dr. DANIEL CRUZ GONZÁLEZ

Co-ASESORA Dra. NANCY TEPALE OCHOA

08 de agosto de 2013

OOOOSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZ

I

“Es detestable esa avaricia espiritual que tienen los que, sabiendo algo, no procuran la transmisión de esos conocimientos”

MIGUEL DE UNAMUNO

OOOOSVALDOSVALDOSVALDOSVALDO GÓMEZ JUÁREZGÓMEZ JUÁREZGÓMEZ JUÁREZGÓMEZ JUÁREZ

II

ÍNDICE RESUMEN .................................................................................................................................... 1

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 2

JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................................... 5

OBJETIVOS .................................................................................................................................. 5

OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................. 5

OBJETIVOS PARTICULARES ................................................................................................ 5

HIPÓTESIS ................................................................................................................................... 5

CAPÍTULO I ................................................................................................................................. 6

GENERALIDADES .................................................................................................................. 6

HISTORIA DE LOS COLORANTES ........................................................................................ 6

CLASIFICACIÓN DE COLORANTES ..................................................................................... 6

COLORANTES AZOICOS .................................................................................................... 6

COLORANTES NITRADOS ................................................................................................. 8

COLORANTES DE DIFENIL Y TRIFENIL METANO ........................................................ 8

COLORANTES ÍNDIGOIDES .............................................................................................. 8

COLORANTES DE ANTRAQUINONA ............................................................................... 8

COLORANTES AZUFRADOS O SULFUROSOS ................................................................ 9

AZUL DE METILENO ............................................................................................................. 9

ROJO DE METILO ................................................................................................................. 10

NARANJA DE METILO ......................................................................................................... 10

CATÁLISIS COMO MÉTODO DE DESCONTAMINACIÓN DEL AGUA ............................ 11

CATÁLISIS ............................................................................................................................. 11

Catálisis Enzimática ............................................................................................................. 11

Catálisis Homogénea ............................................................................................................ 11

Catálisis Heterogénea ........................................................................................................... 12

FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA ...................................................................................... 12

DIÓXIDO DE TITANIO ......................................................................................................... 14

FOTOCATÁLISIS DEL TiO2 .................................................................................................. 14

NANOTECNOLOGÍA ............................................................................................................ 16

Nanociencia ......................................................................................................................... 16

Nanotecnología .................................................................................................................... 16


III

Nanopartículas ..................................................................................................................... 16

NANOPARTÍCULAS METÁLICAS ....................................................................................... 16

MÉTODOS PARA LA SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS .................................................. 17

MÉTODO DE SOL-GEL ......................................................................................................... 17

SPRAY PIRÓLISIS ................................................................................................................. 17

MÉTODO DE COMBUSTIÓN ................................................................................................ 18

CAPÍTULO II .............................................................................................................................. 19

DESARROLLO EXPERIMENTAL ......................................................................................... 19

SÍNTESIS DEL CATALIZADOR TiO2-Au POR EL MÉTODO DE COMBUSTIÓN.............. 19

CARACTERIZACIÓN DEL CATALIZADOR TiO2-Au ......................................................... 20

DIFRACCIÓN DE RAYOS X ................................................................................................. 20

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO .................................................................. 22

DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA DE COLORANTES .................................................. 23

CAPÍTULO III ............................................................................................................................ 25

RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................................. 25

CARACTERIZACIÓN DEL TiO2-Au POR LA TÉCNICA DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X 25

CARACTERIZACIÓN DEL TiO2-Au POR LA TÉCNICA DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ............................................................................................. 26

EVALUACIÓN FOTOCATALÍTICA DEL CATALIZADOR TiO 2-Au EN LA DEGRADACIÓN DE COLORANTES .................................................................................... 27

Azul de Metileno ..................................................................................................................... 27

Naranja de Metilo .................................................................................................................... 32

Rojo de Metilo ......................................................................................................................... 37

CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 41

REFERENCIAS .......................................................................................................................... 43

OOOOSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZSVALDO GÓMEZ JUÁREZ

1

RESUMEN

Se sintetizaron y caracterizaron polvos de Dióxido de Titanio (TiO2) dopado con

nanopartículas de oro (Au), para su aplicación como catalizador en la degradación de

colorantes mediante reacciones fotocatalíticas en un reactor aislado con asistencia de luz

Ultra-Violeta. El catalizador TiO2-Au sintetizado por el método de combustión, se

caracterizó mediante Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido

(MEB). Su actividad catalítica se evaluó en la degradación de diversos colorantes tales

como el azul de metileno, naranja de metilo y rojo de metilo; los cuales son usados en

distintas aplicaciones industriales textiles. Por DRX se determinó la formación del sistema

TiO2-Au. Por MEB se determinó la formación de manera semicuantitativa de las

nanopartículas de oro depositadas sobre el TiO2 las cuales tenían tamaños entre 25 y 60 nm.

El catalizador presento una eficiencia fotocatalítica en la degradación de azul de metileno

de; 91%, 80% y 32% para concentraciones de 10, 20, 30 ppm respectivamente. El naranja

de metilo con concentraciones de 10, 20 y 30 ppm presento porcentajes de degradación de

87%, 85% y 52% respectivamente. Finalmente el colorante rojo de metilo mostro bajos

porcentajes de degradación de 86%, 61% y 60% para concentraciones de 10, 20 y 30 ppm

respectivamente.


2

INTRODUCCIÓN

El agua es el recurso de mayor importancia ya que es esencial en el desarrollo de la vida

terrestre y en el proceso evolutivo de la humanidad. Esta sustancia abarca más del 70% de

la superficie de la tierra del cual solo el 3% es agua dulce, y de está, el 1% es para uso

humano [1], de donde se derivan actividades domésticas y productivas. En las últimas

décadas, el crecimiento poblacional ha ido en aumento, por lo que cada año se requiere más

agua para satisfacer la creciente demanda de este vital líquido. Esta situación, aunada a una

creciente industrialización, urbanización y a la intensificación de cultivos agrícolas, han

significado un incremento en la contaminación de este recurso dando como resultado la

actual crisis mundial de agua.

Los procesos de fabricación de la industria metalúrgica, refinería, química y textil,

principalmente, son los que generan mayores descargas de aguas residuales en los cuerpos

de agua. De las industrias mencionadas, la industria textil es la que presenta una mayor

fuente de contaminación debido a que emplea gran cantidad de agua y energía en sus

procesos, además de tener pigmentos y colorantes como los principales contaminantes en

sus descargas de aguas residuales reportándose concentraciones de alrededor de 1ppm de

estos compuestos, por lo que remover dichos colorantes del agua residual es de igual

importancia como la remoción de otro tipo de compuestos orgánicos [2].

Existen diferentes tipos de colorantes que son utilizados en la industria textil, muchos de

estos colorantes son de origen sintético y a pesar de tener una buena fijación en las telas,

una cantidad importante termina en las aguas residuales generadas por este tipo de

empresas, las cuales no toman en cuenta que bajo condiciones anaeróbicas son degradados

por microorganismos formando aminas aromáticas altamente cancerígenas [3] y que trae

consigo daños considerables a la flora, fauna y potencialmente a los seres humanos debido

a su toxicidad, alta solubilidad en el agua y gran resistencia a la biodegradabilidad [4].

Por lo tanto, en el tratamiento de las aguas residuales de la industria textil deben utilizarse

procesos de degradación de dichos compuestos que aseguren un correcto saneamiento del

agua. Actualmente los métodos que se han empleado para el tratamiento de aguas

residuales textiles son procesos químicos convencionales como la digestión biológica, por

absorción con carbón activado, oxidación térmica, cloración, ozonización y coagulación

por agentes químicos, sin embargo, estos procesos han resultado inadecuados para la


3

degradación de estos compuestos, la principal desventaja está asociada con su carácter no

destructivo por lo cual su acción se limita a transferir los contaminantes de una fase a otra

[5,6]. Por otro lado, los procesos avanzados de oxidación (PAOs) se muestran como una

alternativa viable para el tratamiento de este tipo de aguas residuales ya que se basan en

procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de

los contaminantes. Dichos procesos involucran la generación de radicales hidroxilo los

cuales pueden formarse por medios fotoquímicos, entre otros, y poseen alta afectividad para

la oxidación de materia orgánica [7-9].

Algunos PAOs, como la fotocatálisis heterogénea son procesos que se basan en la

absorción directa o indirecta de energía radiante por un fotocatalizador heterogéneo que

normalmente es un semiconductor de banda ancha. Existen diversos materiales con

propiedades idóneas para actuar como catalizadores en reacciones fotosensibilizadas tales

como el ZnO, CdS, WO3, ZnS y TiO2 entre otros. El dióxido de titanio (TiO2) es uno de los

materiales que ha tenido mayor impacto en el área de la fotocatálisis heterogénea por su

importancia como catalizador ya que cuando absorbe un fotón con mayor o igual energía

que la energía de banda prohibida, un electrón de la banda de valencia se desplaza a la

banda de conducción, entonces el electrón y el hueco positivo generado emigran a la

superficie del catalizador en donde participan en reacciones de óxido-reducción con las

especies adsorbidas llevando a estas a la degradación y en ocasiones a su completa

mineralización. Motivo por el cual, en los últimos años se han desarrollado diversos

estudios encaminados a las aplicaciones de TiO2 en la purificación de agua y aire [10-11].

El interés que ha despertado la fotocatálisis heterogénea usando TiO2 está relacionada con

el hecho de que el proceso de degradación de compuestos orgánicos presentes en aguas

residuales puede llevarse a cabo en condiciones suaves de reacción las cuales no involucran

altas temperaturas y presiones, el catalizador es no toxico y se activa con luz Ultra-Violeta.

Además se ha demostrado que su actividad fotocatalítica depende fuertemente de sus

propiedades fisicoquímicas tales como fases cristalinas, área superficial, tamaño de cristal y

grado de hidroxilación [12-14]. En las últimas décadas se ha estudiado el depósito de

metales sobre la superficie del catalizador para mejorar su actividad fotocatalítica.


4

En este trabajo se presenta la evaluación del catalizador dióxido de titanio (TiO2) dopado

con nanopartículas de oro (Au) por el método de combustión, como una alternativa para la

degradación de colorantes. Los colorantes estudiados fueron el Azul de Metileno (AM),

Naranja de Metilo (NM) y Rojo de Metilo (RM), manejando concentraciones de 10, 20 y

30 ppm para cada uno de ellos.


5

JUSTIFICACIÓN

Existen diferentes métodos de formación de nanopartículas donde los más comunes son la

pirolisis y sol-gel los cuales emplean varias etapas en su proceso de formación, tiempos

largos de síntesis y en ocasiones reactivos y equipos relativamente caros. A diferencia de

estos, el método de combustión resulta ser más viable debido a que es factible

económicamente, rápido y con altos rendimientos, además de no requerir de procesos de

purificación posteriores. Razón por la cual se utilizará el método de combustión en la

síntesis de nanopartículas de oro para la obtención del catalizador TiO2-Au.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Obtener nanopartículas de Au y depositarlas en el TiO2 por el método de combustión, para

estudiar su actividad fotocatalítica en la degradación de diversos colorantes como el Azul

de metileno (C16H18N3SCl.3H2O), Naranja de Metilo (C14H14N3NaO3S) y Rojo de Metilo

(C15H15N3O2).

OBJETIVOS PARTICULARES

℘ Obtener y depositar nanopartículas de Au en el catalizador TiO2 por el método de

combustión.

℘ Caracterizar el catalizador TiO2 dopado con nanopartículas de Au, por medio de

Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB).

℘ Estudiar la actividad fotocatalítica del sistema TiO2-Au en el espectrofotómetro

GENESYS 10S UV-VIS, en la degradación de Azul de metileno (AM), Naranja de

Metilo (NM) y Rojo de Metilo (RM) usando diferentes concentraciones (10, 20 y 30

ppm).

℘ Comparar la eficiencia fotocatalítica del sistema TiO2-Au con los resultados

reportados con otros catalizadores obtenidos mediante otros métodos de síntesis.

HIPÓTESIS

Por el método de combustión es posible obtener nanopartículas de oro y depositarlas sobre

TiO2 lo cual mejora su actividad fotocatalítica.


6

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

HISTORIA DE LOS COLORANTES

En 1856, el químico William Henry Perkin en su búsqueda de un medicamento contra la

malaria, dio origen a la industria de los colorantes sintéticos por su descubrimiento

accidental de un tinte purpura conocido como Mauveína mediante la oxidación de anilina

con ácido crómico [15,16].

Los colorantes han sido de gran importancia en el desarrollo humano ya que influyen en

nuestro estado de ánimo y en nuestras emociones. Podemos encontrar una vasta variedad de

colorantes ya sean sintéticos o naturales. Anteriormente se utilizaban colorantes y

pigmentos naturales que eran obtenidos de plantas, insectos y minerales, los cuales eran

empleados para teñir ropas, pintar pieles, entre otras aplicaciones. Las sustancias de origen

vegetal más utilizadas para este propósito eran: palo de campeche, cúrcuma e índigo

natural; y de origen animal se empleaba la cochinilla.

Por otro lado, los colores sintéticos se utilizan en la ropa que llevamos, en las pinturas, en

los artículos de plástico, en una amplia serie de material impreso multicolor, en cosméticos,

cerámicas, en la televisión y el cine. El color se incorpora a estos materiales por medio de

sustancias denominadas tintes y pigmentos. La diferencia esencial entre estos dos tipos de

colorantes es que los tintes son compuestos coloreados solubles, que son aplicados

principalmente a materiales textiles en una disolución acuosa, mientras que los pigmentos

son compuestos insolubles, incorporados mediante un proceso de dispersión en productos

tales como las pinturas, las tintas de imprenta y los plásticos.

CLASIFICACIÓN DE COLORANTES

COLORANTES AZOICOS Los colorantes azoicos son la clase más importante de colorantes, comprendiendo la mitad

de la producción total de materias colorantes. Estos tipo de colorantes presentan un grupo

funcional perfectamente definido y caracterizado ya que contienen uno o más grupos

azoicos (-N=N-). Además, funciona como grupo cromógeno, es decir, que es el soporte y

generador de los grupos cromóforos. Los cuales están unidos a anillos de benceno o

naftaleno.


7

La obtención de estos colorantes se da mediante la reacción de azocopulación que consiste

en dos etapas: La primera, donde se da una diazoación de una arilamina primaria

obteniendo una sal de diazonio, y segundo, copulación del diazo obtenido con el agente de

copulación para dar el compuesto azoico. También encontramos a otros compuestos

azoicos que pueden ser diazoicos o copulados dando así la síntesis de colorantes

poliazoicos.

La estructura química de los colorantes azoicos contiene dos anillos aromáticos unidos a los

extremos del grupo azo. Tales compuestos muestran isomería trans/cis. Los dos átomos de

nitrógeno tienen hibridación sp2 y los átomos de los enlaces N-C son de 120°, de modo que

el azobenceno tiene una configuración plana. En la figura I.1, se observa que la

estereoisomería de la molécula es más estable en la forma trans que en la cis [16].

Figura I.1. Estructura química de los colorantes azoicos, a) configuración trans, b) configuración cis [17].

Cuando el grupo azo está conjugado con dos anillos aromáticos, el compuesto absorbe

radiación electromagnética en el espectro de la región visible, por lo que el compuesto

presenta coloración intensa. Motivo por el cual, son empleados como colorantes en la

industria textil, papelera, alimentaria. Por ejemplo el p-dimetilaminoazobenceno se emplea

como colorante de la margarina.

La presencia de otros grupos funcionales en el compuesto aromático puede provocar que

éste absorba la luz a distintas longitudes de onda y por tanto, se obtengan distintos

compuestos y colores. Así mismo se pueden introducir algunos grupos por ejemplo, grupos

sulfónicos, que aportan propiedades como la solubilidad.

En 1884 se sintetizo el rojo congo, un colorante azoico que se empleó para teñir algodón, y

que actualmente es uno de los más empleados en la industria textil [18].


8

COLORANTES NITRADOS Son nitro o nitroso derivados del benceno y naftaleno con algún grupo fenólico o amino.

Estos son de escasa importancia ya que únicamente se utilizan dos o tres colorantes de este

tipo [17]. Uno de los primeros colores del grupo nitro es el amarillo de alfa naftol S, que se

usa especialmente como colorante de productos alimenticios, en la actualidad los colorantes

nitro más importantes son las nitro fenilaminas, que dan tonos amarillos, naranjas y

castaños. Un ejemplo de este grupo es el pardo de amino naftol C y algunas de estas

nitrofenilaminas son utilizadas como tinturas dispersas para acetato de celulosa y nylon

[19].

COLORANTES DE DIFENIL Y TRIFENIL METANO Son colorantes básicos para lana, seda y algodón, estos son muy utilizados por aportar

colores brillantes pero no presentan gran resistencia a la luz y al lavado. Sin embargo

cuando son usados en fibras acrílicas mejoran sus características. Un ejemplo de este tipo

es el verde malaquita y el violeta de metilo, este último se obtiene oxidando la dimetilamina

con CuCl2, y se emplea como tinta purpura para lápices indelebles y cintas para máquinas

de escribir [20].

COLORANTES ÍNDIGOIDES Índigo, es uno de los colorantes naturales más antiguos y más importantes, ya que fue

usado para teñir vestiduras de las momias egipcias y a la fecha sigue siendo utilizado como

colorante textil en forma sintética ya que presenta buena resistencia a la luz y al lavado

[17]. La fórmula molecular del índigo es C16H10N2O2. Es una sustancia insoluble en agua,

es de color azul obscuro y se aplica en la industria textil y su bajo costo hace que sea el

colorante azul más empleado [19].

COLORANTES DE ANTRAQUINONA El cromógeno de antraquinona aparece en todos los colorantes naturales importantes de

color rojo, con unas propiedades de solidez y resistencia a la luz [17]. En los colorantes de

antraquinona predominan los matices azul brillante y turquesa. El representante más

conocido es la alizarina, que es una tintura natural, conocida desde la antigüedad por los

egipcios y persas. De la alizarina se pueden obtener colores con diferentes mordientes, con


9

magnesio genera un color violeta, con una base de calcio da un color rojo purpura, con

bario un color azul, con aluminio da un color rosado, con cromo castaño violeta y con

hierro (ferroso), negro violeta [20].

COLORANTES AZUFRADOS O SULFUROSOS La mayoría de colorantes solubles tienen algún grupo sulfónico, reciben el nombre de

sulfurosos aquellos colorantes que se obtienen calentando diversos compuestos orgánicos

con azufre o con sulfuros alcalinos, a este proceso se le conoce como sulfurización o

tionación.

Los primeros colorantes azufrados eran amarillos pardos, el cual se obtenía calentando

aserrín, estiércol y azufre. Posteriormente se obtuvieron tinturas negras, azules, verdes,

amarillas y naranjas. Este tipo de colorantes son empleados solamente en la tintura de

algodón, ya que atacan a las proteínas y fibras de este [17].

AZUL DE METILENO

El azul de metileno es un colorante que tiene forma de cristales o polvo cristalino, presenta

un color verde oscuro, con un brillo bronceado, es inodoro y estable al aire, sus

disoluciones en agua o en alcohol son de color azul profundo. Este colorante se utiliza en

los laboratorios de análisis ambiental para la determinación de sustancias activas al AM,

como los detergentes. Es también empleado como materia prima para fabricar agentes

antipalúdios, para teñido directo y embellecer tintes amortiguados como azul de alizarina y

el índigo. Además se usa en el estampado y tinte de la seda y algodón en diferentes tonos

de color [21]. En la figura I.2 se muestra la estructura del AM.

Figura I.2. Estructura molecular del azul de metileno.


10

ROJO DE METILO

Es un compuesto orgánico del grupo de los colorantes azoicos, es utilizado como indicador

ácido-base y es uno de los colorantes más empleados por la industria textil. En la figura I.3

se muestra la estructura molecular del rojo de metilo [22].

Figura I.3. Estructura molecular del rojo de metilo.

NARANJA DE METILO

El naranja de metilo pertenece al grupo de los colorantes azo, es un compuesto orgánico

utilizada como colorante en la industria textil y como indicador ácido-base en los

laboratorios de química. Se ha demostrado que este compuesto no es biodegradable cuando

está presente en aguas. En la figura I.4 se puede observar la estructura molecular del NM

[23].

Figura I.4. Estructura molecular del naranja de metilo.


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CATÁLISIS COMO MÉTODO DE DESCONTAMINACIÓN DEL AGUA

CATÁLISIS

La catálisis es un proceso fisicoquímico bastante complejo, en el cual se lleva a cabo la

modificación de la velocidad de una reacción química incrementando el número de

conversiones de moléculas de reaccionantes a moléculas de producto que suceden en un

instante de tiempo bajo la acción de cierta sustancia conocida como catalizador. El cual es

capaz de dirigir el curso del proceso en una determinada dirección y no intervenir en la

estequiometria de la reacción, permaneciendo químicamente inalterable al finalizar el

proceso. Por lo general un catalizador reduce la energía de activación global de una

reacción aportando un mecanismo totalmente distinto para la reacción [24,25].

El término catálisis abarca cuando menos tres tipos de procesos, descritos a continuación:

Catálisis Enzimática

El cuerpo humano se caracteriza por un sistema extremadamente complejo de reacciones

químicas relacionadas entre sí. Para conservar la vida, todas estas reacciones deben llevarse

a cabo a velocidades minuciosamente reguladas, para lo cual, se necesitan un gran número

de catalizadores biológicos maravillosamente eficientes, conocidos como enzimas o

fermentos, para que muchas de estas reacciones ocurran a las velocidades idóneas, son

selectivas en cuanto a las reacciones que catalizan, y algunas son absolutamente

específicas: funcionan sólo con una sustancia en una sola reacción [24].

Catálisis Homogénea

Abarca un grupo de procesos en los cuales el catalizador y las sustancias reaccionantes se

encuentran en el mismo estado de agregación, ya sea líquido o gaseoso. La catálisis suele

ser muy selectiva en la formación del producto deseado y el aumento de la velocidad de

reacción es directamente proporcional a la concentración del catalizador. El proceso

catalítico se lleva a cabo a través de la formación de compuestos intermedios químicamente

inestables y de composición estequiométrica [26].


12

Catálisis Heterogénea

En el proceso catalítico heterogéneo las sustancias reaccionantes y el catalizador se

encuentran en distinto estado de agregación. Las reacciones catalíticas heterogéneas son

aquéllas en las cuales el catalizador es un sólido y las sustancias reaccionantes un líquido o

un gas. Este proceso se caracteriza por la formación en la superficie del catalizador de

compuestos químicos intermedios de composición no estequiométrica unidos a la superficie

con distintas energías de enlace. La velocidad del proceso no depende de la cantidad

(concentración) del catalizador, sino de la actividad catalítica de la superficie [27]. Los

catalizadores heterogéneos suelen estar compuestos de metales u óxidos metálicos. Debido

a que la reacción catalizada se lleva a cabo en la superficie (adsorción), se suelen emplear

métodos especiales para preparar los catalizadores de modo que tengan áreas superficiales

muy grandes [24].

FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA

La Fotocatálisis Heterogénea (FH) dio inicio con Fujishima y Honda en 1972, cuando

descubren la división fotocatalítica [28]. El proceso de FH involucra la absorción directa o

indirecta de energía radiante (luz solar) capaz de excitar un sólido (fotocatalizador

heterogéneo que normalmente es un semiconductor de banda ancha) al grado de hacer que

se comporte como un material conductor, en la superficie del cual se llevan a cabo las

reacciones de óxido-reducción (remoción de contaminantes) las cuales generan radicales

libres muy reactivos, al mismo tiempo que reacciona con las especies a su alrededor,

rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxidándolas hasta convertirlas en

especies menos complejas sin que el catalizador sufra cambios químicos.

En la figura I.5 se observa el proceso de FH cuando es excitado con luz de una longitud de

onda adecuada. En estas condiciones, se crean pares electrón-hueco cuya vida media está

en el rango de los nanosegundos; en ese lapso deben migrar a la superficie y reaccionar con

especies adsorbidas. Los pares electrón-hueco que no alcanzan a separarse y a reaccionar

con especies en la superficie se recombinan y la energía se disipa. Esta recombinación

puede tener lugar tanto en la superficie como el seno de la partícula. El proceso neto es la

catálisis de la reacción entre el oxidante y el reductor por ejemplo, O2 y materia orgánica.


13

Figura I.5. Proceso fotocatálitico.

Existen diferentes materiales que tienen la capacidad de actuar como fotocatalizadores en

reacciones fotosensibilizadas por ejemplo: ZnO, CdS, óxidos de hierro y TiO2 [29]. Estos

materiales son económicamente factibles, y la mayoría de estos pueden excitarse con luz de

no muy alta energía. Particularmente el TiO2 es el más empleado ya que ha mostrado una

mayor estabilidad química; sin embargo, presenta baja eficiencia en presencia de luz

visible, lo que puede revertirse por medio del depósito de metales en la superficie del

semiconductor.

Existe una gran cantidad de parámetros que influyen tanto a nivel cualitativo como

cuantitativo en el proceso de foto-oxidación y que en consecuencia, resultan ser

determinantes en la eficiencia global del proceso [30], algunos de los más importantes son:

� Ph

� Características del catalizador

� Intensidad de la radiación

� Diseño del reactor

� Naturaleza y Concentración del contaminante

� Aditivos

� Agentes Oxidantes

� Efecto de la temperatura


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DIÓXIDO DE TITANIO

El titanio es un metal de transición y como tal lo podemos encontrar en la corteza terrestre,

se encuentra diseminado en forma de dióxido de titanio y minerales como la ilmenita y es

600 veces más abundante que el cobre.

El dióxido de titanio o titania, existe en tres fases cristalinas: anatasa, brookita y rutilo, ver

figura I.6, [31]. Donde por un lado, el cristal rutilo es una fase entable a altas temperaturas

y presenta una mayor densidad en comparación con las otras fases, por otro lado, las fases

cristalinas brookita y anatasa son metaestables y se transforman a rutilo irreversiblemente al

someterlas a calentamiento [32]. Las fases anatasa y rutilo tienen varias aplicaciones en la

industria de fabricación de pinturas, cerámicos, electrónica y así como en el campo médico

y biológico [33].

Figura I.6.- Fases cristalinas del dióxido de titanio.

Se ha demostrado experimentalmente que la fase anatasa presenta una mayor actividad

fotocatalítica en comparación con las otras dos fases cristalinas, esto debido a que presenta

una menor velocidad de recombinación del par electrón-hueco [34,35].

FOTOCATÁLISIS DEL TiO 2

En el campo de desarrollo de nuevos materiales se encuentran los materiales

nanoestructurados, los cuales han sido tema de diversas investigaciones y desarrollos

tecnológicos. La aplicación de estos nuevos materiales es variada, pero en particular, el

campo al que más se dirigen es el de la catálisis y en especial la catálisis ambiental [36-38].


15

En la catálisis ambiental se han desarrollado materiales semiconductores nanoparticulados

para su aplicación en reacciones fotoasistidas buscando reducir o eliminar los

contaminantes presentes en las descargas de agua residual, y de igual manera reducir los

contaminantes atmosféricos [39-42].

Otras razones por lo que el TiO2 es utilizado como catalizador son su baja toxicidad, su

estabilidad química y su costo accesible. Desde el punto de vista químico, las ventajas que

presenta para su aplicación en procesos fotocatalíticos, se basan principalmente en su

potencial de óxido-reducción (redox), esto es, su capacidad de generación del par electrón-

hueco, donde los huecos fotogenerados son altamente oxidables, lo que significa que los

electrones fotogenerados, son suficientemente oxidativos para producir por ejemplo

superóxidos de oxígeno. Cuando el TiO2 es irradiado con luz ultravioleta (λ<380nm) con

energía mayor a la energía de banda prohibida del material (Eg=3.2 eV) visto como

semiconductor, entonces ocurre una reacción fotocatalítica dando como resultado la

descomposición de materiales orgánicos convirtiéndolos en agua, CO2 y ácidos minerales

[36].

Se han realizado numerosos estudios para aumentar la eficiencia del proceso fotocatálitico

del TiO2 modificando la superficie del semiconductor incrustándole nanopartículas de un

metal de transición.


16

NANOTECNOLOGÍA

La nanotecnología es el proyecto de ciencia e ingeniería que la humanidad lleva a cabo para

perfeccionar el arte de la fabricación de materiales en la escala de lo muy pequeño.

El prefijo nano proviene del latín nanus, que significa “enano” y actualmente tiene la

aceptación de una millonésima parte. Así, un nanómetro (nm) es una millonésima parte de

un metro, para tener una idea de qué tan pequeño es un nm, pensemos en el diámetro de un

cabello humano, el cual mide aproximadamente 75000 nm. EL tamaño del objeto más

pequeño que se puede ver a simple vista es de unos 10000 nm, el diámetro de un glóbulo

rojo es aproximadamente de 3000 nm y la distancia entre dos átomos de oro en un anillo, en

una moneda o cualquier objeto de este material es de 0.3 nm.

La necesidad de la industria de los semiconductores de reducir el tamaño ha ayudado a que

hoy en día sea posible ver, medir, modificar y manipular átomos y moléculas en una escala

del orden de los nanómetros [43].

Nanociencia

Es el estudio de los procesos fundamentales que ocurren en las estructuras de un tamaño

entre 1 y 100 nm, las cuales se conocen como nanoestructuras [43,44].

Nanotecnología

Es el área de investigación que estudia, diseña y fabrica materiales o sistemas a escala

nanoscopícas y les da alguna aplicación práctica [43,44].

Nanopartículas

Las nanopartículas se definen como partículas con un tamaño comprendió entre 1 y 100

nm. Por otra parte, las partículas nanoestructuradas se definen como partículas ultrafinas

que están formadas por nanopartículas [43,44].

NANOPARTÍCULAS METÁLICAS

Las nanopartículas de metales muestran hasta 5 veces más dureza que los materiales

normales. Se ha demostrado que es posible modificar ciertas propiedades, como las

propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas, químicas y mecánicas [44]. Así pues, es posible


17

crear nuevos materiales controlando sus propiedades y mejorarlas al variar su tamaño. Las

partículas de oro con diámetros menores a 20 nm se funden a una temperatura mucho

menor y con diámetros entre 2 y 3nm el oro ya no es un metal noble, no reactivo, en este

intervalo de tamaño se vuelve químicamente reactivo [44].

Existen diversas técnicas para la síntesis de nanopartículas metálicas, la condensación

desde fase vapor, reacción química, método de sol-gel, spray pirólisis, método de

combustión entre otros.

MÉTODOS PARA LA SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS

MÉTODO DE SOL-GEL

El método sol-gel consta de dos etapas. La primera etapa del proceso es la hidrólisis del

alcóxido, y puede ser catalizada por medio un ácido o una base, en esta etapa se obtienen

soles, es decir una suspensión uniforme con un tamaño de partícula inferior a 100mn [45], y

da lugar a la etapa de condensación en la cual el sol comienza a polimerizar y se forma el

gel, que es una red interconectada porosa de partículas con consistencia gelatinosa. El

secado por evaporación se hace a una temperatura de 200 a 500°C, donde todo el líquido se

elimina y el gel se convierte en un polvo de óxido metálico finamente divido con un tamaño

de partícula de 3 a 100mn de diámetro [46].

Algunas ventajas y desventajas de este proceso son:

℘ Se pueden obtener materiales con una gran variedad de estructuras para diferentes

aplicaciones.

℘ El costo del proceso es alto ya que los precursores y equipos utilizados son caros.

℘ El tiempo de consumo es alto y particularmente requiere cuidado y control del

secado.

SPRAY PIRÓLISIS

El método de spray pirólisis se basa en la descomposición de pequeñas gotas sub-

micrométricas de un aerosol, generados por dispositivos ultrasónicos. Las gotas de aerosol

son convertidas en partículas nanoestructuradas a bajas, intermedias y altas temperaturas

(200-1000°C). El aerosol es transportado por un gas portador al interior de un horno tubular


18

horizontal para ser sometidas a evaporación, posteriormente se pasa a la sinterización para

formar partículas densas [47].

MÉTODO DE COMBUSTIÓN

El proceso de combustión surge como una técnica importante para la síntesis de cerámicos,

catalizadores, intermetálicos y nanomateriales. El método de combustión consiste en una

reacción química de óxido-reducción o transferencia de electrón [48]. Dependiendo de la

naturaleza de los reactantes, elementos o compuestos (sólido, líquido o gas) y de la

exotermicidad, el proceso de combustión se caracteriza por usar altas temperaturas, razones

de calentamiento rápidas, y tiempos cortos de reacción. Estas características hacen del

método de combustión una técnica atractiva, para la manufactura de materiales

tecnológicamente útiles a costos menores, comparado con los procesos de síntesis

convencionales. Algunas otras ventajas del método de combustión son [48,49]:

℘ Uso de equipo relativamente sencillo.

℘ Formación de productos con alta pureza.

℘ Estabilización de fases meta estables.

℘ Formación de productos de forma y tamaño característicos.


19

CAPÍTULO II

DESARROLLO EXPERIMENTAL

SÍNTESIS DEL CATALIZADOR TiO 2-Au POR EL MÉTODO DE COMBUSTIÓN

Para la síntesis del catalizador TiO2-Au se utilizó dióxido de titano grado analítico J. T.

Baker, Urea (CH4N2O) J. T. Baker, Hidróxido de Oro [Au(OH)3] Sigma Aldrich, de los

cuales se pesaron en una balanza analítica OHAUS, las siguientes cantidades: 0.4437g de

TiO2, 0.9999g de (CH4N2O) y 0.0070g de Au(OH)3, los reactivos una vez pesados se

depositaron en un vaso de precipitado de 100mL, se le agregaron 5mL de agua tridestilada

para homogeneizar la mezcla, la solución se calentó en una parrilla eléctrica (Thermolyne

Cimarec), a una temperatura de 60°C para evaporar la mayor cantidad de agua. El sólido

resultante se calcino en una mufla (Felisa), previamente calentada a una temperatura de

800°C durante 5 minutos y como resultado de dicho proceso se obtuvo el catalizador TiO2-

Au. En la figura II.1 se muestra el diagrama de flujo seguido para la síntesis del catalizador.

Figura II.1. Diagrama de síntesis del catalizador TiO2-Au.

Síntesis del catalizador TiO2-Au

0.4437g TiO2

+ 0.9999g Urea

+ 0.0070g Au (OH) 3

+ 5mL de agua

Evaporación a 60°C

Calcinación a 800°C, 5 min

Catalizador TiO2-Au


20

CARACTERIZACIÓN DEL CATALIZADOR TiO 2-Au

El catalizador se caracterizó mediante las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX) y

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB).

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

La DRX se utiliza para identificar la estructura cristalina de los materiales o utilizar la

estructura de un material común como fuente de identificación química.

La difracción es el resultado de la dispersión de la radicación por una disposición regular de

los centros de dispersión, cuyo espacio es aproximadamente la longitud de onda de la

radiación. Esta red de difracción hace que la luz se disperse con una fuerte intensidad en

unas pocas direcciones específicas.

Para los rayos X, los átomos constituyen centros de dispersión, el mecanismo de dispersión

específico es la interacción de un fotón de la radiación electromagnética con un orbital

electrónico del átomo. Para que tenga lugar la difracción, los haces de rayos X dispersados

por planos adyacentes del cristal deben estar en fase ver figura II.2. De otra forma, tiene

lugar una interferencia destructiva de las ondas y no se observa prácticamente ninguna

intensidad dispersada. Cuando se da la geometría precisa para que se produzca una

interferencia constructiva, la diferencia de camino recorrido por haces de rayos X

adyacentes debe ser un número entero (n) de longitudes de onda (λ). La relación que

demuestra esta condición es la ecuación de Bragg (ecuación 1), donde d es el espacio entre

planos atómicos adyacentes y θ es el ángulo de dispersión tal como se define en la figura

II.2 [33].

�� = 2� �� Ecuación (1)


21

Figura II.2. Difracción de los rayos X.

La técnica de DRX fue utilizada con el objeto de identificar, tanto la estructura cristalina

como las fases presentes en el catalizador obtenido. Para este análisis se empleó un

difractómetro D8 DISCOVER, usando radiación Cu (40 mA, 40kV) en un rango de

medición de 5–90° en 2θ con una velocidad de barrido de 0.06 seg, figura II.3.

Figura II.3. Equipo de Difracción de Rayos X.


22

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

Los haces electrónicos no sólo son capaces de proporcionar información cristalográfica

sobre las superficies de las nanopartículas, sino que también se pueden utilizar para

producir imágenes de las superficies, y desempeñan este papel en los microscopios

electrónicos. Una forma eficiente de obtener imágenes de la superficie de una muestra

consiste en escanear la superficie con un haz de electrones en un patrón de rastreo, de

forma similar a como un cañón de electrones barre la pantalla de un televisor [50]. Éste es

un barrido de tipo sistemático. La deflexión en un microscopio de barrido se realiza

magnéticamente mediante los campos magnéticos generados por la corriente eléctrica que

pasa por las bobinas. El campo magnético producido por una bobina es proporcional al

voltaje que se le aplique. La utilización de las señales de los detectores de electrones

secundarios permite obtener información superficial relacionada con la topografía de la

muestra. Y la utilización de las señales de los detectores de electrones retrodispersados

permite conseguir información más interna con la que se obtiene información química del

material y que se diferencia por el contraste de tonos de grises relacionados con la señal de

acuerdo con el número atómico Z de los materiales.

En este trabajo la MEB fue utilizada para determinar el tamaño y morfología de los polvos

obtenidos (TiO2-Au), el cual fue sintetizado por el método de combustión. Para este análisis

se utilizó un microscopio JEOL JSM-6610LV figura II.4.

Figura II.4. Microscopio Electrónico de Barrido marca JEOL.


23

Degradación de colorantes *

Preparar soluciones de 10, 20 y 30 ppm de Azul de metileno

Tomar muestras de 20 mL de cada solución

Adicionar 0.1000g del fotocatalizador TiO2-Au

Colocar las muestras en el fotoreactor para oxigenar e irradiar con luz UV-VIS

Durante un tiempo de 4 horas Donde se tomarán 4 alícuotas con intervalos entre cada una de 1 hora

Medir absorbancia con un espectrofotómetro UV-VIS

*Para NM y RM se seguirá la misma metodología.

DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA DE COLORANTES

Para la evaluación de la actividad catalítica que presenta el catalizador TiO2-Au, se

utilizaron los colorantes AM, NM y RM, en la figura II.5 se muestra el diagrama de flujo

seguido para la degradación de colorantes.

Figura II.5. Diagrama de degradación de colorantes.


24

La degradación de diferentes colorantes ha sido estudiada por distintos autores que

proponen el siguiente mecanismo de reacción de descomposición [51]:

��

�� ℎ� + ��

� + �� → � �

ℎ� + � � → ��∗ + ��

�

ℎ� + �� !�� → "��#�!��

��∗ + �� !�� → "��#�!��

�� + � + � � → �� + ��

� � + �� !�� → "��#�!��

Las condiciones experimentales usadas para la prueba fotocatalítica fueron las siguientes:

Se prepararon soluciones de 10, 20 y 30 ppm de AM, NM y RM, respectivamente, se pesó

0.0010g de cada colorante el cual se aforo en un matraz de 100mL, se tomaron 20mL de

solución la cual se le hizo un análisis en el espectrofotómetro GENESYS 10S UV-VIS

(Figura II.6.) para corroborar la concentración que presentan las muestras a tratar. Una vez

teniendo la concentración de la soluciones, se agregó 0.1g del catalizador TiO2-Au obtenido

anteriormente, las tres muestras fueron colocadas en el fotorreactor (una caja de madera)

abierto al aire donde fueron oxigenadas por una bomba de aire (modelo ELITE801), e

irradiadas con luz ultravioleta por una lámpara modelo UVL-56 Handheld con una potencia

de 6W, las lecturas fueron tomadas y medidas en el espectrofotómetro en intervalos de una

hora, durante 4 horas.

Figura II.6. Espectrofotómetro UV-vis.


25

CAPÍTULO III

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

CARACTERIZACIÓN DEL TiO 2-Au POR LA TÉCNICA DE DIFRACCIÓN DE

RAYOS X

En la figura III.1 se observan los difractogramas obtenidos de las muestras de TiO2 grado

analítico y TiO2-Au, respectivamente. Los espectros revelan picos de difracción bien

definidos demostrando una alta cristalinidad. La muestra de TiO2 presenta picos

característicos relacionados con el TiO2 en fase anatasa (JCPDS 03-065-5714) entre el

intervalo 25.304°-55.061°, los cuales también se observa en el espectro de difracción de la

muestra TiO2-Au. Este último, presenta además 5 picos entre 38.185°-81.724° que son

característicos del Au (JCPDS 00-004-0784), como se aprecia en su figura correspondiente.

Las posiciones de los picos del TiO2 no cambiaron por la incorporación de Au en el TiO2,

lo que sugiere que el depósito de las nanopartículas de oro fue de tipo superficial.

30 60 900

5000

Inte

nsid

ad (

u.a.

)

2θθθθ

TiO2-Au

TiO2

-------- JCPDS Au

Figura III.1 Difractograma del catalizador Dióxido de Titanio y Dióxido de Titanio dopado con

nanopartículas de Oro.


26

CARACTERIZACIÓN DEL TiO 2-Au POR LA TÉCNICA DE MICROSCOPÍA

ELECTRÓNICA DE BARRIDO

La técnica de MEB nos permite conocer la morfología del compuesto que estamos

analizando, así como el tamaño de partícula del mismo. En la figura III.2, se muestran las

micrografías obtenidas por MEB para el catalizador TiO2-Au sintetizado por el método de

combustión. Donde se observan las nanopartículas de oro, depositadas en el TiO2, las

cuales presentan una morfología esférica (puntos luminosos) y un tamaño de partícula

promedio entre 25-60 nm.

El tamaño de partícula es de gran importancia ya que a menor tamaño su área superficial

aumenta, lo que representa una mayor actividad fotocatalítica.

Figura III.2. Micrografía del catalizador TiO2-Au.


27

EVALUACIÓN FOTOCATALÍTICA DEL CATALIZADOR TiO 2-Au EN LA

DEGRADACIÓN DE COLORANTES

Azul de Metileno

En la figura III.3 se muestra la degradación de AM, realizada a tres diferentes

concentraciones con un tiempo de reacción de cuatro horas para cada una de ellas, se

observa el cambio de color de las muestras conforme se lleva a cabo la degradación.

Figura III.3. Cambio de coloración en la degradación de AM en concentración de 10ppm.

En la figura III.4 se observa el espectro para la muestra de concentración igual a 10 ppm

donde el pico de la línea base representa la concentración inicial, mientras que los otros

picos muestran el transcurso de la reacción de degradación de los colorantes a diferentes

intervalos de tiempo, teniendo que a menor porcentaje de absorbancia la degradación del

colorante es mayor.

400 600 8000.0

0.5

1.0

1.5

Abs

orba

ncia

Longitud de onda (nm)

LINEA BASE 1 hora 2 horas 3 horas 4 horas

Figura III.4. Espectros de absorción de la degradación de AM-10ppm/TiO2-Au, a 4 horas de

exposición de luz UV y oxígeno.


28

Para las muestras de 20 y 30 ppm se tuvieron comportamientos similares a la de 10 ppm,

sin embargo, se puede observar en las figuras III.5 y III.6 que a mayor concentración de

colorante se obtiene un menor porcentaje de degradación, de acuerdo con los porcentajes de

absorbancia registrados.

400 600 8000

1

2

3

Abs

orba

ncia





Lo anterior puede explicarse debido a que a mayor concentración el agua se encuentra más

coloreada, esto evita que la luz llegue completamente al catalizador que se encuentra en el

fondo, lo que provoca que el tiempo de degradación sea mayor.

Los picos de absorbancia característicos para el AM se presentaron en el intervalo de

longitud de onda de 550-700 nm.


29

400 600 8000

2

4

Abs

orba

ncia





Los porcentajes de degradación promedio registrados para el AM se muestran en la tabla

III.1. Para la concentración de 10 ppm se alcanzó el 91% de degradación, para 20 ppm y 30

ppm los porcentajes fueron de 80% y 32%, respectivamente (Ver Figura III.7). Lo cual

reafirma lo dicho anteriormente sobre la relación que hay entre la concentración de

colorante y el porcentaje de degradación

Tabla III.1. Porcentajes de degradación de AM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE AZUL DE METILENO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2-Au

10 ppm 20 ppm 30 ppm

Tiempo (hr) % Degradación Tiempo (hr) % Degradación Tiempo (hr) % Degradación

0 0% 0 0% 0 0%

1 55% 1 40% 1 14%

2 73% 2 57% 2 22%

3 84% 3 67% 3 29%

4 91% 4 80% 4 32%


30

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.091%

84%

73%

55%

80%

67%

57%

40% 32%

29%22%

14%

0%

(%)D

egra

daci

on

Tiempo (hr)


Azul de Metileno

Figura III.7. Porcentaje de degradación de AM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4

horas.

Los porcentajes obtenidos en la degradación de AM usando TiO2 grado analítico se

muestran en la figura III.8 y en la tabla III.2, donde en comparación con los resultados

obtenidos con el catalizador TiO2-Au se puede observar una diferencia en el porcentaje de

degradación bastante amplia ya que con dicho catalizador se obtuvieron valores por encima

del 80% para las concentraciones de 10 y 20 ppm en un tiempo de reacción de 4 horas,

tanto que con TiO2 grado analítico se obtuvieron valores por debajo del 60%. Para la

concentración de 30 ppm se obtuvo un porcentaje de degradación bastante similar con TiO2

y TiO2-Au con un porcentaje de alrededor del 30%.

Tabla III.2. Porcentajes de degradación de AM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE AZUL DE METILENO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2 GRADO ANALÍTICO



0 0% 0 0% 0 0%

1 22% 1 22% 1 21%

2 39% 2 37% 2 27%

3 50% 3 45% 3 29%

4 59% 4 54% 4 31%


31

0 1 2 3 4

0.0

0.3

0.6

Azul de Metileno

0%

39%

50%

59%

54%

45%

37%31%29%

27%22%

22%21%

(%)

Deg

rada

cion

Tiempo (hr)


Figura III.8. Porcentaje de degradación de AM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4 horas

usando TiO2 grado analítico.

Algarsamy y Ramasamy (2012), utilizaron TiO2-Au depositado en silicato obtenido por

sol-gel, para la degradación de azul de metileno en concentración de 11ppm y donde

obtienen un 60% de degradación en un tiempo de 1 hora de reacción. La lámpara utilizada

fue de xenón con una potencia de 450 W [52]. Comparado con los resultados obtenidos en

este trabajo en término de 1hr de degradación usando TiO2-Au el porcentaje de degradación

fue de 55% tomando en cuenta que la lámpara utilizada tiene una potencia de 6W.


32

Naranja de Metilo

La degradación de NM se llevo acabo a las mismas condiciones utilizadas en la

degradación de AM. En la figura III.9 se observa el cambio de coloración durante la

reacción, cada una de las muestras fue tomada en intervalos de 1 hasta 4 horas.

Figura III.9. Cambio de coloración en la degradación de NM.

En la figura III.10, III.11 y III.12 se observan los espectros de la degradación de las

concentraciones de colorante para 10, 20 y 30 ppm, respectivamente. Los picos de NM se

identificaron en una longitud de onda entre 350 a 550 nm siendo este intervalo diferente al

del colorante AM que va de 550 a 700 nm.

400 600 8000.0

0.2

0.4

0.6

Abs

orba

ncia



Figura III.10. Espectros de absorción de la degradación de NM-10ppm/TiO2-Au, a 4 horas de exposición de luz UV y oxígeno.


33

Para el de NM se da la misma relacion entre la disminución de colorante conforme

transcurre la reacción, lo cual puede observarse en los espectros correspondientes a este

compuesto.

400 600 8000.0

0.4

0.8

1.2

Abs

orba

ncia



Figura III.11. Espectros de absorción de la degradación de NM-20ppm/TiO2-Au, a 4 horas de


400 600 8000.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Abs

orba

ncia



Figura III.12. Espectros de absorción de la degradación de NM-30ppm/TiO2-Au, a 4 horas de



34

En la tabla III.3 se reportan los porcentajes de degradación promedio del NM a diferentes

concentraciones de 10, 20 y 30 ppm, los valores obtenidos fueron de 87%, 85% y 52%,

respectivamente. A pesar de que el NM presenta una mayor resistencia a la luz los valores

obtenidos de degradación para 20 y 30 ppm al término de 4 horas muestran ser

relativamente mayores a los de AM, esto se observa gráficamente en la figura III.13.

Tabla III.3. Porcentajes de degradación de NM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE NARANJA DE METILO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2-Au


Tiempo (hr) % degradación Tiempo (hr) % degradación Tiempo (hr) % degradación

0 0% 0 0% 0 0%

1 40% 1 30% 1 8%

2 59% 2 51% 2 20%

3 79% 3 72% 3 35%

4 87% 4 85% 4 52%

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

52%

35%

20%

8%

30%

51%

72%

87%

85%79%

59%

40%

0%

(%)d

egra

daci

on

Tiempo (hr)


Naranja de Metilo

Figura III.13. Porcentaje de degradación de NM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4

horas.

En la tabla III.4 y en la figura III.14 se reportan los porcentajes obtenidos en la degradación

de NM usando TiO2 grado analítico, para las concentraciones de 10, 20 y 30 ppm se

obtuvieron porcentajes de 38%, 19% y 15%, respectivamente. En comparación con los


35

resultados de la degradación de NM con TiO2-Au que fueron de 87%, 85% y 52%, para 10,

20 y 30 ppm, podemos observar una gran diferencia en degradación del colorante.

Tabla III.4. Porcentajes de degradación de NM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE NARANJA DE METILO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2 GRADO ANALÍTICO


Tiempo (hr) % degradación Tiempo (hr) % degradación Tiempo (hr) % degradación

0 0% 0 0% 0 0%

1 7% 1 7% 1 2%

2 14% 2 13% 2 5%

3 25% 3 17% 3 9%

4 38% 4 19% 4 15%

0 2 4

0.0

0.2

0.4

Naranja de Metilo

2%5%

9%

15%

19%

17%13%

7%

38%

25%

14%

7%

(%)

Deg

rada

cion

Tiempo (hr)


0%

Figura III.14. Porcentaje de degradación de NM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4

horas usando TiO2 grado analítico.

En el trabajo relizado por Xian-Tai Zhou y colaboradores (2012), en la degradación de

Naranja de metilo con una concentración de 20 ppm, usando TiO2 Degussa P25 dopado con

Cu, Co, Mn, y Fe. El mayor porcentaje de degradación obtenido fue de 98% con un tiempo

de reacción de 90 minutos para la combinación de TiO2-Cu [53]. El cual comparado con el

catalizador TiO2-Au usado en este trabajo se obtuvo un porcentaje de degradación del 85%.


36

Observaciones

El método de síntesis consta de mas etapas y emplea más reactivos por lo que este método

implica mayor tiempo de síntesis y por lo tanto un costo elevado.

La lámpara UV utilizada tiene una potencia de 500W. Lo que puede explicar que se haya

obtenido un porcentaje de degradación mayor que el nuestro.


37

Rojo de Metilo En la figura III.15 se muestra el cambio de color debido a la disminución de la

concentración de colorante RM, en esta imagen se puede observar que la coloración es

amarilla debido al pH de la solución que según Gómez Sosa [54] el RM en un pH superior

al pH de transcición (4.4-6.2) presenta este color y por debajo de este intervalo se observa

el color rojo.

Figura III.15. Cambio de coloración en la degradación de RM.

Los espectros obtenidos en la degradación del colorante RM se muestran en las figuras

III.16, III.17 y III.18, en los cuales existe el mismo comportamiento que en el AM y NM en

relación al porcenteje de degradación con respecto a la concentración, el pico de mayor

absorbancia se encontro, igual que el NM, en una longitud de onda entre 350 y 500 nm.

400 600 8000.0

0.2

0.4

0.6

Abs

orba

ncia



Figura III.16. Espectros de absorción de la degradación de RM-10ppm/TiO2-Au, a 4 horas de exposición de luz UV y oxígeno.


38

400 600 8000.0

0.5

1.0

Abs

orba

ncia



Figura III.17. Espectros de absorción de la degradación de RM-20ppm/TiO2-Au, a 4 horas de


400 600 8000.0

0.5

1.0

Abs

orba

ncia



Figura III.18. Espectros de absorción de la degradación de RM-30ppm/TiO2-Au, a 4 horas de


Por lo tanto los espectros obtenidos por espectrofotometría UV-vis demuestran que el

catalizador TiO2-Au presenta buena actividad fotocatalítica en los diferentes colorantes

utilizados.


39

En la degradación del colorante RM se obtuvieron los siguientes porcentajes promedio de

degradación para las concentraciones de 10, 20 y 30 ppm reportados en la tabla III.5. En la

figura III.19 se muestra el grafico correspondiente a dichos datos.

Tabla III.5. Porcentajes de degradación de RM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE ROJO DE METILO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2-Au



0 0% 0 0% 0 0%

1 21% 1 14% 1 10%

2 53% 2 32% 2 22%

3 75% 3 44% 3 39%

4 86% 4 61% 4 60%

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Rojo de Metilo

10%

22%

39%

60%

61%

44%

32%

(%)D

egra

daci

on

Tiempo (hr)


14%

86%

75%

53%

21%

0%

Figura III.19. Porcentaje de degradación de RM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4

horas.

Los resultados de la degradación de RM con TiO2 grado analítico se presentan en la tabla

III.6 y en la figura III.20, donde se observa que los porcentajes de degradación fueron de

38%, 33% y 31%, para 10, 20 y 30 ppm, respectivamente. Podemos ver que los porcentajes

con TiO2-Au fueron mayores en comparacion con TiO2 grado analítico.


40

Tabla III.6. Porcentajes de degradación de RM en concentraciones de 10 a 30 ppm.

% DE DEGRADACIÓN DE ROJO DE METILO USANDO COMO CATALIZADOR TiO2 GRADO ANALÍTICO



0 0% 0 0% 0 0%

1 19% 1 13% 1 11%

2 27% 2 25% 2 20%

3 33% 3 31% 3 28%

4 38% 4 33% 4 31%

0 2 4

0.0

0.2

0.4 38%

33%

31%28%

31%33%

20%

27%

25%

11%

13%

19%

0%

Rojo de Metilo

% D

egra

daci

on

Tiempo (hr)


Figura III.20. Porcentaje de degradación de RM en concentraciones de 10 a 30 ppm durante 4

horas usando TiO2 grado analítico.

El trabajo realizado por Anjali Pal y colaboradores (2005) [55], en la degradación de Rojo

de metilo con concentraciones de 10 y 20 ppm, usando TiO2 nanopartículas plata; en dicho

trabajo se obtuvo un porcentaje de degradación del 99% y 90% respetivamente, usando una

lámpara de tungsteno-halógeno de 350 W de potencia en un tiempo de reacción de 1 hora y

30 minutos.


41

CONCLUSIONES

℘ Por el método de combustión se lograron obtener nanopartículas de Au las cuales

fueron depositadas sobre la superficie del catalizador TiO2 haciendo ambos

procesos en un solo paso.

℘ Por las técnicas de DRX y MEB se logró caracterizar al catalizador TiO2-Au

comprobándose la deposición de las nanopartículas de Au sintetizadas sobre la

superficie del TiO2 y obteniendo un tamaño de partícula de entre 25 a 60 nm.

℘ La actividad fotocatalítica evaluada en la degradación de los colorantes AM y NM,

presentó porcentajes de eficiencia por arriba del 80% para concentraciones de 10 y

20 ppm, mientras que para el RM este porcentaje se alcanzó solo en 10 ppm. Por

otro lado, para la concentración de 30 ppm los colorantes NM y RM presentaron

porcentajes de degradación mayores al de AM.

℘ La eficiencia fotocatalítica obtenida en otros trabajos muestra que el TiO2 en

presencia con otros metales presenta una alta actividad fotocatalítica la cual no

representó una gran diferencia con la obtenida con el catalizador TiO2-Au utilizado

en este trabajo, Un ejemplo de ello es el trabajo de Xian-Tai Zhou el porcentaje

obtenido para el colorante NM a (20ppm) que fue del 90% y con el catalizador

TiO2-Au fue de 85%. Sin tomar en cuenta que las condiciones empleadas, como el

método de síntesis, la concentración de los colorantes, el volumen usado en la

degradación de colorantes, el tiempo de reacción así como el tipo de lámparas UV

utilizadas que pueden marcar diferencia en la eficiencia fotocatalítica.

Por lo tanto podemos concluir que el catalizador TiO2 en presencia con algún metal, esté

influye en el aumento de la actividad fotocatalítica. Y por lo tanto dicho catalizador es una

buena opción para utilizarse en la degradación de colorantes mediante fotocatálisis

heterogénea.


42

Para obtener un mejor porcentaje de degradación con concentraciones mayores de colorante

se propone mejorar el proceso de reacción con modificaciones como:

℘ Variación de volumen

℘ Mayor área de contacto

℘ Agitación constante


43

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