Autores: León Dalia. Mejías Karla. Pérez Luis. Torres Víctor. Unidad de Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas y Corrosión de Materiales. Centro de Tecnología de los Materiales. FIIIDT.
NUEVOS METODOS PARA EL TRATAMIENTO DE CUERPOS DE AGUA
El marcado crecimiento en los desarrollos industriales ha traído como consecuencia alteraciones en el medio ambiente en los últimos cincuenta años, esto producto de los procesos que se llevan a cabo durante la generación y explotación de recursos. Una de las principales problemáticas ambientales que deben enfrentar las grandes industrias es la contaminación de las aguas, ya que actualmente la imposición de criterios legales sobre las regulaciones para desechar este tipo de efluentes se ha hecho más frecuente. [1,2]
El tratamiento de los cuerpos de agua puede ser un problema muy complejo debido a la gran variedad de productos químicos que pueden estar presentes y a la variación en la concentración de estos en los efluentes Los efluentes industriales contienen frecuentemente contaminantes resistentes a los tratamientos convencionales de aguas residuales, por lo que la investigación y el desarrollo de tecnologías para lograr la remoción de las sustancias presentes en los cuerpos de agua se ha incrementado en los últimos años [3,4]
Actualmente, existen tecnologías que tomando cuenta las propiedades fisicoquímicas de los efluentes a tratar, permiten la descontaminación completa de los mismos. Estos métodos se conocen como: Procesos de Oxidación Avanzada (POA), y se basan en métodos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de las sustancias, generalmente debido a la generación de especies con alto poder oxidante como lo son los radicales, los cuales permiten llevar el compuesto inicial o la mezcla de estos a su mineralización [5,6]. Los POA se dividen en dos grupos, los procesos no fotoquímicos y los fotoquímicos, del primer grupo entre los más destacados se encuentran la ozonización, el uso de peróxido de hidrógeno, procesos Fenton y la oxidación por vía electroquímica; del segundo grupo las técnicas destacadas son la ozonización con UV, procesos Foto-Fenton y la fotocatálisis heterogénea.
La fotocatálisis heterogénea es un tipo de catálisis que se basa en la absorción de energía radiante por un sólido. Esta energía puede ser directa o indirecta y estar en longitudes de onda del Visible o UV. El sólido, conocido como fotocatalizador es generalmente un semiconductor, que una vez excitado con la energía radiante, puede llevar a cabo procesos en la interfase solido-solución, dando a lugar reacciones redox que permiten la remoción o trasformación de contaminantes de interés. [7,8]
Este proceso puede llevarse a cabo en varios medios: fase gaseosa, fase líquida, o en solución acuosa, el proceso completo puede ser descrito en cinco etapas independientes:
- Transferencia de los contaminantes orgánicos de la fase fluida hacia la superficie.
- Adsorción de los contaminantes orgánicos en la superficie del semiconductor.
- Reacción en la fase adsorbida en la superficie de semiconductor.
- Desorción de los intermediarios.
- Transferencia de masa de los intermediarios desde región de la interfase hacia el seno del fluido.
ROL DE LOS SEMICONDCUTORES EN LA FOTOCATÁLISIS
De acuerdo a las reacciones de interés que se deseen generar y a la disponibilidad de potencia lumínica, es indispensable conocer qué tipo de semiconductor es ideal para el sistema. Los semiconductores tipo p poseen como portadores mayoritarios huecos ℎ+, lo que les permite oxidar con facilidad en oscuridad, mientras que en los semiconductores tipo n son los electrones −, lo que implica que son capaces de reducir en ausencia de luz [10,11].
La nanotecnología cumple un rol de gran importancia, debido a que se encarga de desarrollar y sintetizar los materiales semiconductores que se utilizaran en los sistemas fotocatalíticos.
¿A qué retos se enfrenta la nanotecnología? Uno de los principales problemas que surgen de los escalamientos de este tipo de sistema, es cuan eficiente puede ser el proceso. En el caso de los semiconductores, uno de los retos es la síntesis de estos materiales con una alta eficiencia. Uno de los procesos que disminuye la eficiencia de los semiconductores es la recombinación de los portadores de carga, estos procesos puede ser clasificados en tres tipos: el primero recombinación banda a banda, es decir el electrón − que fue promovido a la banda de conducción se recombina con el hueco ℎ + fotogenerado en la banda de valencia, este procesos suele tener una velocidad elevada y es uno de los mecanismo predominantes en los semiconductores de transición directa.
La solución a este tipo de problemas, se ha dado mediante le estudio fundamental de la física de los semiconductores, utilizando técnicas como dopaje y síntesis de materiales nanoestructurados. Los cuales han dado como resultado materiales más eficientes para llevar a cabo la degradación de ciertos tipos de contaminantes de interés.
Los materiales utilizados para procesos fotocatalíticos que han reportado mayor eficiencia son los nanoestructurados, principalmente debido al efecto de su gran relación área/volumen sobre la densidad de estados electrónicos y propiedades de la superficie, y a la posibilidad de convertir energía lumínica en energía química. Entre las nanoestructuras más comunes se encuentran: las nanopartículas, nanoalambres, nanofibras y nanotubos. [13,14]
En el laboratorio de nanomateriales y electroquímica de la Fundación Instituto de Ingeniería FIIIDT, se han desarrollado síntesis de este tipo de semiconductores, con la finalidad de generar electrodos nanoestructurados, específicamente nanotubos, capaces de degradar contaminantes orgánicos.
En próximas publicaciones hablaremos de que métodos son los más recomendados para obtener este tipo de nanoestructuras, y de cómo evaluar e interpretar la repuesta fotoelectroquímica de estos materiales.
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