Estudio de las Condiciones Cinéticas para la Generación de Especies Oxidantes en un Sistema TiO2/BDD y su Aplicación en la Degradación de Colorantes Tipo Azo

Abstract

El tratamiento de aguas residuales o descontaminación de cuerpos de agua a nivel mundial es actualmente un campo de estudio, esto debido a que afecta drásticamente al cambio climático, haciendo daño a especies acuáticas y finalmente afectando también a los seres humanos. Por lo que en esta investigación se realizó el acoplamiento de dos procesos avanzados de oxidación, electro oxidación y fotocatálisis, para tratar agua contaminada con compuestos orgánicos persistentes. El acoplamiento se logró haciendo películas de dióxido de titanio (TiO2) sobre la superficie de un electrodo de diamante dopado con boro (BDD). Para su preparación se utilizó el método de electroforesis, seguido de sinterización. En este sistema el proceso de oxidación principal para la degradación de compuestos orgánicos persistentes consiste en la generación de radicales hidroxilo (•OH) formados a través de la oxidación del agua, esta oxidación se puede llevar a cabo ya sea por la oxidación anódica o por los pares electrón-hueco producidos por la fotocatálisis. La deposición del TiO2 se estudió a partir de un proceso electroforético que produce compuestos binarios de TiO2/BDD. Se estudiaron diferentes tamaños de depósitos de TiO2 y el mejor obtenido se caracterizó física y electroquímicamente. En esta investigación se observaron las características superficiales del mejor electrodo preparado por microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía óptica (MO), espectroscopía Raman, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) donde se distinguió la fase anatasa del TiO2 depositado sobre el electrodo de BDD, también se analizaron los electrodos mediante técnicas electroquímicas como voltamperometría cíclica (CV), voltamperometría lineal (LV) y respuesta fotoelectroquímica (PEC) para probar y comparar la producción de radicales heterogéneos •OH a partir de la descarga del agua a un potencial anódico de 1.4 V vs Ag/AgCl, además se estudió si la producción de éstos radicales se ve favorecida por una superficie ácida mediante la técnica de Boehm. Además, se determinó la vida media de los electrodos aplicando una corriente constante de 1 A/cm2y se demostró que el electrodo con un depósito de TiO2de 11.34 μm tiene un mejor desempeño PEC. Posteriormente, el electrodo con mejor desempeño se aplicó en la degradación de un colorante azoico típico naranja de metilo (MO), mediante procesos de fotocatálisis, electrooxidación y fotoelectrocatálisis. Los resultados mostraron que la tasa de degradación en el proceso de fotoelectrocatálisis fue mayor que la fotocatálisis y que el proceso de electrooxidación. Se determinó que la disminución en concentración del colorante naranja de metilo mediante cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC), obteniendo una cinética de pseudo-primer orden. Además, utilizando la técnica de spin trap se obtuvo evidencia de que al irradiar luz UV al sistema se genera una mayor cantidad de radicales hidroxilo lo cual promueve una mayor degradación del compuesto orgánico, mejorando la eficiencia de mineralización del colorante. También se determinaron las especies intermediarias y finales del proceso mediante espectrometría de masas (MS). Estos resultados ponen en evidencia la conveniencia de usar este tipo de electrodos para la degradación de contaminantes orgánicos persistentes, ya que contaminantes de este tipo son muy utilizados por las industrias textiles, tenerías, papeleras, alimenticias y de cosméticos.