PARAMETROS DE INVESTIGACIÓN Tratamiento de Agua Natural y Química Mediante el Proceso de Fotocatálisis Heterogénea usando Dióxido de Titanio (Anatasa) Pablo Bonaveri*, PhD. Juan Zuluaga**. Yorledis Macea *. Docente investigador, Universidad Autónoma del Caribe, Ingeniería Mecatrónica, PBonaveri@uac.edu.co **. Estudiante Representante Semillero de Investigación en Nanotecnología, Universidad Autónoma del Caribe, Ingeniería Mecatrónica, juanz9312@gmail.com ABSTRACT The decontamination of water is a globally issue with the increasing development of production companies that increases the amount of wastes of those companies generate, most of those wastes are thrown into water sources without the proper management or water treatment. The aim of this project is to compare the decontamination methods such as the application of titanium dioxide and the sedimentation of bacteria in two different types of water as waste water and the one that is extracted from natural sources. Secondly, compare the effectiveness of the titanium dioxide implementation has as a decontaminating agent on two sources of contaminated water, one extracted from the natural environment and other lab-made. Will use 2 tanks, one for waste water and the others with a water extracted from a lake, will chose one of each type and will decontaminate by the titanium dioxide use. The chosen to be decontaminated by titanium dioxide should be stored in an isolated room of the external light that has a UV lamp to generate the chemical reaction, also is necessary use electric stirrers to keep the water in movement while the reaction is produce. Keywords-Heterogeneous photocatalysis, Titanium Dioxide, Wastewater, UV Radiation, Decontamination, Advanced Oxidation Processes (AOP) METODOLOGÍA Entre los POA más utilizados se encuentra la fotocatálisis heterogénea, la cual ha sido intensamente estudiada en los últimos años, mediante el uso de dióxido de titanio (TiO2). El proceso de fotocatálisis se basa en la transferencia de carga a través de la interfaz entre el semiconductor y la solución acuosa contaminada, como se puede ver en la figura 1: Fi. 1. Superficie del semiconductor TiO2 con absorción directa de fotones con energía igual o superiora la banda ancha de energía prohibida, band gap. El estado fotoexcitado de un semiconductor es generalmente inestable y puede romperse fácilmente. El óxido de titanio, por otra parte, permanece estable incluso cuando se está fotoexcitado. Esta es una de las razones por las que el óxido de titanio es un excelente fotocatalizador.  Ecuación 1 De esta forma, es bien conocido, varias especies de oxígeno activo que están implicados en la reacción fotocatalítica, tales como, (1) radical hidroxilo (OH+) ya mencionados en los POA , que se produce a partir de cualquiera de los grupos hidroxilo o de agua adsorbida en la superficie de TiO2, atrapando un agujero (Ecuación (2)).; (2) radical superóxido (O2*-), que se forma a partir de una molécula de oxígeno adsorbido, mediante la combinación con un electrón excitado (Ecuación. (3)); y (3) peróxido de hidroxilo (H2O2) que se genera en ya sea la oxidación (Ecuación. (4)) o la reducción (Ecuación (5)).  Ecuación 2  Ecuación 3  Ecuación 4  Ecuación 5 Es necesario mencionar que el óxido de titanio se presenta en distintas redes cristalinas, y por tanto diferentes actividad fotocatalítica. Estas estructuras son el Rutilo, Anatasa y Brokita. Entre estos se tiene que el valor de banda es 3.0 eV para el tipo rutilo y 3.2 eV para el tipo anatasa, ambos absorben solo los rayos de luz UV. Sin embargo, el tipo rutilo puede absorber los rayos que son ligeramente más cerca de 3 rayos de luz visible. RESULTADOS Se realizó un estudio experimental para observar la degradación del colorante presente y nivelación del pH, en una cantidad definida de agua residual química y orgánica, así mismo se anuncia que las distintas pruebas realizadas fueron hechas a escala de laboratorio. La fotocatálisis heterogénea se realiza gracias al semiconductor TiO2 (Anatasa) y luz ultra violeta (UV) generada por una lámpara marca Philips con longitud de onda de 350nm - 400nm. A continuación se muestran las distintas soluciones químicas y orgánicas obtenidas y puestas a la respectiva prueba fotocatalítica, donde la solución uno y dos (Primera Experiencia) fueron realizadas en forma estática y la solución tres y cuatro (Segunda Experiencia) en forma dinámica utilizando agitadores magnéticos marca HEIDOLPH modelo Hei-Mix S de 7W y peróxido de hidrógeno (H2O2) para acelerar el proceso fotocatalítico. Fig. 2. microorganismos presentes en el agua natural Fig. 3. Agua química vs Agua Natural (Experiencia 1) Fig. 4. Agua química vs Agua Natural bajo luz UV (experiencia 1) Fig. 5. Solución 1 y 2 con agitadores magnéticos (experiencia 2) INTRODUCCIÓN La contaminación de las aguas es uno de los problemas de mayor importancia en la sociedad actual. Según los estudios, aproximadamente 1,1 billones de personas no tienen acceso a agua potable y de 4 billones de casos de diarrea un 88% son debido a la insalubridad del agua. La contaminación del agua es un hecho de gran importancia para estudio, los contaminantes pueden acumularse y transportarse tanto por las aguas superficiales como subterráneas, estas últimas poseen una fuente principal de daño que son las aguas residuales municipales e industriales. Debido a esto se han impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías de desinfección y descontaminación de aguas. “Los métodos convencionales presentan importantes inconvenientes como son la generación de subproductos tóxicos y la utilización de grandes cantidades de reactivos químicos”. De esta forma, en los últimos años se ha implementado los procesos de oxidación avanzada (POA) como una alternativa tecnológicamente viable y novedosa para el tratamiento de los efluentes líquidos contaminados. Estos organismos son inocuos al ser humano, pero su presencia indica que organismos patógenos pueden estar presentes o haber sobrevivido al proceso de desinfección (Apella y Araujo, 2005). Los POA consisten básicamente en la formación de radicales hidroxilos (OH+) altamente oxidantes, los cuales contribuyen a la mineralización total de los compuestos contaminantes presentes, el cual se puede generar por medios fotoquímicos. OBJETIVO GENERAL 1. Desarrollar un sistema de descontaminación y desinfección de cuerpos de agua usando luz ultravioleta (UV) y dióxido de titanio como agente catalizador. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Demostrar que el uso de dióxido de titanio es una forma eficiente y eficaz para la descontaminación y desinfección de cuerpos de aguas contaminados. 2.Enumerar los principales aspectos a tener en cuenta en el momento de la determinación de la eficiencia del proceso. 3.Constrar las ventajas y desventajas del proceso fotocatalítico de forma estática como de forma dinámica. FINANCIACIÓN Para la consecución del proyecto se usaron los laboratorios de Química y Psicología de la Universidad Autónoma del Caribe, los kit’s de Nanotecnología del programa de Ingeniería Mecatrónica, además del personal científico, por lo cual todo entra como Contrapartida dela UAC. CONCLUSIONES La remoción de agentes químicos y microorganismos en el agua puede llegar a ser una aplicación muy importante para las próximas décadas, ya que muchos contaminantes del agua se pueden llegar a eliminar por completo hasta producir compuestos que finalmente son inofensivos. Las ventajas principales de la fotocatálisis heterogénea a temperatura ambiente son: No es necesario usar aditivos u otros compuestos adicionales para su proceso. Es posible aplicar este sistema para concentraciones bajas y altas de agentes químicos y naturales Estabilidad química del dióxido de titanio (TiO2) en medios acuosos y para un amplio rango de pH (1.5 - 13). Se podría combinar en un futuro con otros métodos de descontaminación para mejorar el proceso final. Con el desarrollo de este proyecto se encontró que la fotocatálisis heterogénea es un proceso de descontaminación y decoloración muy efectivo, el cual necesita de muy poco tiempo a comparación de otras técnicas similares. Este necesita de variables específicas para obtener un buen resultado, como lo son la concentración del catalizador, el nivel del pH inicial, el uso o no del peróxido de hidrogeno como acelerador de la reacción fotocatalítica, etc. Se logró determinar que el proceso estático es menos efectivo que el dinámico, esto se pudo compara con los resultados del pH. El valor óptimo de peróxido de hidrogeno (H2O2) fue de alrededor 1g/L donde se observó una descontaminación en menor tiempo, la concentración promedio usada para el dióxido de titanio (TiO2) era de 0.3g/L ~ 0.7g/L la cual fue efectiva para ambas experiencias. La densidad no cambio de forma significativa en las dos experiencias, esta se mantuvo entre 1005 g/ml ~ 1001 g/ml. BIBLIOGRAFÍA Carolina Villanueva Jaramillo. (2011) Fotocatálisis con TiO2 /ultravioleta y TiO2 CuSO4 /visible como sistemas de desinfección para inactivar E. coli proveniente de agua residual doméstica pp. 18-26 Andrea L. Moreno, Camilo A. Castro, Aristóbulo Centeno y Sonia A. Giraldo (2010) Cinética de la Desinfección Fotocatalítica de Agua contaminada con E. coli. Efecto de la Concentración del Fotocatalizador y la Potencia de Irradiación pp. 70 AGRADECIMIENTOS PARAMETROS DE INVESTIGACIÓN Catalizadores Masa de Catalizador Concentración inicial Temperatura presente pH Intensidad de Luz Longitud de onda para TiO2 (donde EG=3.02eV necesaria ë = 400 nm) Densidad del agua Se agradece al programa de Ingeniería Mecatrónica por haber provisto los materiales necesarios para la consecución del proyecto. Se agradece al programa de Psicología por haber facilitado un laboratorio para el análisis con microscopios de las muestras de agua naturales.