Control de la contaminación de aguas con fotocatálisis heterogénea utilizando TiO2 como proceso avanzado de oxidación

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- Fotocatálisis

La fotocatálisis implica la combinación de la fotoquímica con la catálisis. Ambos, luz y catalizador, son necesarios para alcanzar o acelerar una reacción química. Así, la fotocatálisis puede ser definida como la aceleración de una fotorreacción mediante un catalizador.

- Fotocatálisis heterogénea

En procesos fotocatalíticos heterogéneos, las reacciones químicas son inducidas por la fotoexcitación de un semiconductor sólido como resultado de la absorción de radiación electromagnética que posee suficiente energía para excitar la banda de valencia electrones, promoviéndolos a banda de conducción y generando agujeros de banda de valencia

- Oxidación fotocatalítica

Consiste en la destrucción de los contaminantes mediante el empleo de radiación solar ultravioleta y catalizadores con el objeto de formar radicales hidroxilos, los cuales posteriormente tendrán un efecto oxidante sobre los contaminantes químicos. En este proceso la oxidación tiene lugar directamente en

la superficie de la partícula que se utiliza como catalizador o semiconductor, siendo la radiación solar la única fuente de energía. [9]

- Fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio (TiO2)

El TiO2 es el semiconductor más usado en fotocatálisis, debido a que es química y biológicamente inerte, no es tóxico, es estable a corrosión fotoquímica y química, es abundante y económico, además posee un gap de energía de 3.2 eV que puede ser excitado con luz UV de λ 2 se encuentra en tres formas cristalinas: brookita, rutilo y anatasa; sin embargo, el más ampliamente usado en aplicaciones fotocatalíticas es el dióxido de titanio Degussa P-25 en forma de anatasa 99% y en forma de rutilo 1%, ya que presenta una mayor actividad fotocatalítica. [10]

- Reacción fotocatalítica

Se inicia una reacción fotocatalítica cuando se eleva el electrón fotoexcitado desde la banda de valencia rellena del fotocatalizador semiconductor (SC) a la banda de conducción vacía como energía de fotones absorbidos, hv, iguala o sobrepasa el intervalo de banda del fotocatalizador semiconductor dejando un agujero en la banda de valencia. El seguimiento

Las reacciones en cadena se han postulado ampliamente. [4]

Fotoexitación: TiO2/SC+hv → e− +h+ (1)

Ionosorción de oxígeno: (O2)ads + e− → O2•− (2)

Ionización del agua: H2 → OH− + H+ (3)

Protonación de superóxidos:

O2•− +H+→ HOO• (4)

[pic 2]

Figura 1. Esquema del proceso foto catalítico sobre una partícula semiconductora de TiO2. [4]

- Parámetros que influyen en el proceso de Fotocatálisis con TiO2

Existen varios parámetros que influyen cualitativa y cuantitativamente en el proceso de óxido-reducción fotocatalítico. A continuación, se presentan los más importantes:

- El catalizador

Cuanto mayor sea la dosis del catalizador, mayor será en principio la eficiencia obtenida, si bien el efecto de la turbidez ocasionada por sus partículas también aumenta, dificultando la difusión de la luz ultravioleta. En lo que respecta a su disposición, el dióxido de titanio puede estar en suspensión o inmovilizado.

- Temperatura y pH

La variación de la temperatura no afecta significativamente la velocidad de las reacciones fotocatalíticas. Aparentemente el pH no afecta notablemente este tratamiento ya que se han obtenido buenos resultados empleando TiO2 a diferentes rangos de pH, pero también se ha comprobado que éste afecta el tamaño de las partículas, la carga superficial y las posiciones de los máximos y mínimos de las bandas del TiO2 debido a su carácter anfotérico. Debe trabajarse a un pH diferente al punto isoeléctrico para el TiO2 (pH 7), donde la superficie del óxido no está cargada. [11]

- Efecto del oxígeno

El oxígeno es necesario para la mineralización completa del contaminante y no debe competir con las otras especies durante la adsorción sobre el catalizador. El oxígeno disminuye la recombinación del electrón–hueco generado y además forma radicales muy reactivos del tipo O2•. La concentración de oxígeno afecta directamente velocidad de reacción la cual aumenta con la presión parcial del oxígeno (O2P) en el agua. [12]

- Ventajas de la Fotocatálisis con TiO2 como catalizador.

A la hora de aplicar este método de oxidación avanzada, se cuenta con una serie de ventajas que lo hacen significativamente singular. [11]

- Es el único método que realmente destruye sustancias tóxicas hasta compuestos totalmente inocuos. En el caso de sustancias orgánicas, los subproductos que se obtienen son agua, CO2 y simples ácidos inorgánicos.

- El proceso es capaz de destruir cualquier tipo de sustancia orgánica, incluidas mezclas complejas. En este sentido, es capaz de descomponer incluso sustancias difícil o peli- grosamente tratables por otros métodos, como es el caso de dioxinas.

- Las sustancias contaminantes son eliminadas en un único proceso, sin necesidad de ser extraídas previamente del medio en que se encuentran disueltas.

- El aporte de energía necesario es muy pequeño, pues el proceso tiene lugar a temperaturas que oscilan entre 30 y 80º C, sin que su variación apenas si le afecte. Esta energía procede, además, de una fuente limpia y abundante como el sol.

- Catalizador

El catalizador es TiO2, la inmovilización de este es altamente ventajosa, ya que permite el tratamiento sin etapas adicionales de separación del mismo; puede utilizarse de manera continua durante al menos dos años. [16]

TiO2 DEGUSSA P-25

Energía de ancho de banda

3.2 Ev

Longitud de onda

387 nm

Constante