Degradación de tintas tóxicas a partir de nanocompósitos fotocatalíticos basados en ferritas magnéticamente separables

Abstract

El estudio de materiales fotocatalíticos lleva años de desarrollo en el área de la química verde y el desarrollo de materiales capaces de mineralizar componentes contaminantes en las aguas residuales de las industrias, como lo son la industria textil. Esto se debe a los efectos negativos de las tintas tipo azo en el medioambiente, así como la salud para las personas que no tienen acceso a fuentes artificiales de agua potable, pudiendo contraer enfermedades estomacales o renales graves. Este desarrollo creciente de materiales ha posicionado al dióxido de titanio como uno de los materiales semiconductores con mayor potencial en cuanto a la degradación de contaminantes orgánicos, dado que, en un amplio rango de irradiación con luz con frecuencias comprendidas entre la luz solar y el ultravioleta, es capaz de degradar casi la totalidad de los contaminantes modelo que actualmente se estudian, como lo son el rojo Congo, azul de metileno o anaranjado de metilo. Sin embargo, su separación de estos efluentes una vez tratados, se vuelve un problema ya que requiere de costos energéticos elevados con técnicas como la centrifugación o la ultrafiltración. En este trabajo se sintetizan, mediante el método de síntesis de coprecipitación, distintos nanocompósitos de ferrita (Fe3O4, CoFe2O4, CuFe2O4, MnFe2O4 y NiFe2O4) con dióxido de titanio (TiO2 P25 y mediante método sol-gel) que poseen propiedades magnéticas que facilitan la separación del nanocompósito y la solución acuosa tratada, a la vez que presentan propiedades fotocatalíticas, las que se miden mediante degradación de la tinta modelo del anaranjado de metilo. Luego de realizada la síntesis de las nanopartículas, se estudian distintas propiedades físicas y químicas: su estructura y transiciones de fase mediante la difracción de rayos y análisis termogravimétrico, su energía de transición de banda prohibida mediante la espectroscopía UV-Visible de Reflectancia Difusa, su morfología y estructura de nanopartícula mediante una microscopía electrónica de transmisión. De estos análisis se concluye se obtienen las estructuras de los compósitos de Níquel, Manganeso, Cobre, Hierro y Cobalto combinados con Titania, siendo los compuestos con Cobalto y Hierro los que presentan propiedades optoelectrónicas similares a la titania (3,2 [eV]), teniendo energías de band-gap de 3,06 y 3,05 [eV] respectivamente. Posteriormente, se estudian las propiedades fotocatalíticas mediante un ensayo de degradación de tintas modelo utilizando una fuente luz ultravioleta en una solución de anaranjado de metilo, de la que se mide la concentración para determinar la eficiencia de degradación y el ajuste del mecanismo de reacción a una reacción de pseudoprimer orden. Con ello se relacionan las capacidades fotocatalíticas de los nanocompósitos con sus propiedades, obteniendo mejores resultados para los nanocompósitos con ferritas de hierro y cobalto, alcanzando rendimientos del 97,03% y 19,9% respectivamente, además del dióxido de titanio sol-gel que posee un desempeño exitoso alcanzando a la Titania P25 con un 99,78% de degradación. Este campo deja muchos elementos para estudios posteriores, entendiendo mejor los materiales, así como su composición y funcionamiento óptimos.