Actividad fotocatalítica de TiO2 funcionalizado por el método de
Anuncio
Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 1 4(8): 9-27 2013 Actividad fotocatalítica de TiO2 funcionalizado por el método de combustión Photocatalytic activity of TiO2 functionalized by the combustion method Daniel Cruz González*, Dalia Gabriela Arroyo Castro, Janette Arriola Morales Facultad de Ingeniería Química, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Calle 4 Sur No 104 Colonia Centro, C. P. 72000, Puebla, México, Tel: (01) – 222 – 2295500 Email: *[email protected] RESUMEN. En el siguiente trabajo de investigación se utilizó el método de combustión en solución modificado para intentar aumentar el área superficial específica del semiconductor dióxido de titanio (TiO2), se estudió el efecto de añadir diferentes cantidades de agua antes de la calcinación (0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 mL). Las muestras de TiO2 obtenidas se caracterizaron utilizando difracción de Rayos X (DRX), microscopia Electrónica de Barrido (MEB), adsorción de Nitrógeno (BET) y análisis termogravimétrico (TGA). Por difracción de rayos X se observó únicamente TiO2 en fase anatasa, la microscopia electrónica de barrido mostró partículas con forma esférica y con un tamaño promedio de partícula promedio de 1 m, el área superficial obtenida no mostró cambios en ninguna de las muestras siendo esta de alrededor de 8 m2/gr, finalmente el análisis termogravimetrico, mostró diferentes cantidades de oxigeno adsorbido sobre el TiO2 dependiendo de la cantidad de agua (0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 mL) añadida a la muestra antes del proceso de combustión, siendo mayor la cantidad de oxígeno adsorbido en la muestra con 0.5 mL de agua, lo cual nos indicó que se funcionalizó la superficie de TiO2. Se encontró que la muestra que tuvo mayor eficiencia en la degradación de azul de metileno (AM) fue la de TiO2-Urea con 1.5 mL de agua antes de la calcinación. ABSTRACT. The Modified Combustion Method has been used for increase the specific surface area of the semiconductor titanium dioxide (TiO2), the effect of adding different amounts of water prior to calcination (0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 mL) was studied. The phase composition of TiO2 powder was characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), nitrogen adsorption (BET) and thermogravimetric analysis (TGA). By X-ray diffraction was observed TiO2 in anatase phase, scanning electron microscopy showed particles with spherical shape and with an mean particle size of 1 μm, the obtained surface area not showed changes in any of the samples (8 m2/g), finally thermogravimetric analysis showed different amounts of oxygen adsorbed on the surface of TiO2 depending upon the amount of water (0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 mL) added to the sample Recibido: julio, 2013. Aprobado: octubre, 2013 9 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 prior to the combustion process, being higher the amount of oxygen adsorbed on the sample with 0.5 mL of water, which indicated to us that the surface of TiO2 was functionalized. It was found that the sample more efficient in the degradation of methylene blue (AM) was TiO2 with 1.5 mL of water added prior to calcination. Palabras clave: Combustión, Dióxido de titanio, Funcionalización, Degradación, Azul de metileno. Keywords: Combustion, Titanium Dioxide, Functionalization, Degradation, Methylene Blue. INTRODUCCIÓN Desde hace muchos años, los recursos naturales han sufrido un proceso de degradación acelerado, por lo tanto es difícil que hoy en día un país se encuentre exento de esta problemática. Las descargas de aguas residuales de origen domestico e industrial no procesadas, son también responsables del actual deterioro de la mayoría de los cuerpos de agua. Son varios los problemas derivados de la contaminación de cuerpos de agua entre estos se encuentran (Cardona, 2003): • Reducción del suministro de agua. • Riesgos en la salud. • Inutilización del uso del agua para diversos usos • Impacto negativo sobre la vida acuática (e industria pesquera). El agua, en general, y la subterránea en particular, es un recurso limitado en nuestro planeta. El incremento en la demanda y la disminución en la disponibilidad, fundamentalmente por deterioro de su calidad, han generado y generan problemas cada vez más graves para el abastecimiento tanto a nivel local como regional, e incluso a nivel global. Esta problemática, se vino manifestando en forma creciente durante el siglo pasado, y de acuerdo a la tendencia actual, es previsible que continúe en ascenso (González, 2008). La mayor preocupación que se tiene recientemente sobre la seguridad del agua es ahora la presencia potencial de contaminantes químicos. Estos pueden incluir productos químicos orgánicos e inorgánicos y metales pesados, procedentes de fuentes industriales, agrícolas y de la escorrentía urbana. Los diversos contaminantes del agua se resumen en la Tabla 1 (Stanley, 2007; Proyecto agua: el ciclo del agua, 2012). Tabla 1. Tipos generales de contaminantes del agua. Tipo de contaminante Elementos de traza Metales pesados Impacto Salud, biota acuática, toxicidad Salud, biota acuática, toxicidad 10 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias Metales enlazados orgánicamente Radionúclidos Contaminantes inorgánicos Asbestos Nutrientes de algas Sustancias que dan acidez, alcalinidad, Salinidad (en exceso) Contaminantes orgánicos traza Medicamentos, anticonceptivos, etc. Bifenilos policlorados Plaguicidas Residuos de petróleo Alcantarillado, residuos humanos y animales Materia orgánica medida como demanda bioquímica de oxígeno Patógenos Detergentes Compuestos carcinógenos químicos Sedimentos Sustancias que dan sabor, olor y color 4(8): 9-27 2013 Transporte de metales Toxicidad Toxicidad, biota acuática Salud humana Eutrofización Calidad del agua, vida acuática Toxicidad Calidad del agua, vida acuática Posibles efectos biológicos Toxicidad, biota acuática, fauna Efectos en la fauna, contaminación visual Calidad del agua, niveles de oxígeno Calidad del agua, niveles de oxígeno Efectos en la salud Eutrofización, fauna, contaminación visual Incidencia de cáncer Calidad del agua, vida acuática, fauna Calidad del agua, vida acuática, contaminación visual Las alteraciones más importantes que puede sufrir el agua como resultado del aporte de sustancias extrañas son (Acosta, 2008): a) ALTERACIONES FÍSICAS: Color: Las aguas presentan diferentes tonalidades que dependen ya sea de los materiales disueltos o en suspensión, o tiene su origen en la absorción de las radiaciones de mayor longitud de onda (Fournier, 2003). Olor y sabor: Compuestos químicos presentes en el agua como los fenoles, diversos hidrocarburos, cloro, materias orgánicas en descomposición o esencias liberadas por diferentes algas u hongos pueden dar olores y sabores muy fuertes al agua, aunque estén en muy pequeñas concentraciones. Las sales o los minerales dan sabores salados o metálicos, en ocasiones sin ningún color (Doménech, 2006). Temperatura: El aumento de temperatura disminuye la solubilidad de gases (oxígeno) y aumenta, en general, la de las sales. Aumenta la velocidad de las reacciones del metabolismo, acelerando la putrefacción. La temperatura óptima del agua para beber está entre 10 y 14°C. Las centrales nucleares, térmicas y otras industrias contribuyen a la contaminación térmica de las aguas, a veces de forma importante (Restrepo, 2007). 11 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Materiales en suspensión: Partículas como arcillas, limo y otras, aunque no lleguen a estar disueltas, son arrastradas por el agua de dos maneras: en suspensión estable (disoluciones coloidales); o en suspensión que solo dura mientras el movimiento del agua las arrastra. Las suspendidas coloidalmente solo precipitaran después de haber sufrido coagulación o floculación (reunión de varias partículas) (Roldan, 2008). Radiactividad: Las aguas naturales tienen unos valores de radiactividad, debidos sobre todo a isotopos del K. Algunas actividades humanas pueden contaminar el agua con isotopos radiactivos (Jiménez, 2001). Formación de espumas: Los detergentes producen espumas y añaden fosfato al agua (eutrofización). Disminuyen mucho el poder autodepurador de los ríos al dificultar la actividad bacteriana. También interfieren en los procesos de floculación y sedimentación en las estaciones depuradoras (Prieto, 2004). Conductividad: El agua pura tiene una conductividad eléctrica muy baja. El agua natural tiene iones en disolución y su conductividad es mayor o proporcional a la cantidad y características de esos electrolitos. Por esto se usan los valores de conductividad como índice aproximado de concentración de solutos. Como la temperatura modifica la conductividad las medidas se deben hacer a 20°C (Roldan, 2003). b) ALTERACIONES QUÍMICAS: Se producen por compuestos químicos que son vertidos en las aguas y son muy importantes por sus consecuencias. Productos orgánicos e inorgánicos a bajas concentraciones pueden ser nocivos para peces y microorganismos acuáticos. Insecticidas, raticidas, diversas sales, metales pesados, compuestos orgánicos diversos, son tóxicos para ciertas especies y también para el hombre (Acosta, 2008). c) ALTERACIONES BIOLÓGICAS: Se presentan en parte por el aumento de bacterias patógenas, virus, etc., que producen enfermedades, y por otra parte, la ausencia de vida acuática animal o vegetal debido a los bajos niveles de O2 en disolución, necesario para la supervivencia de estas especies. MÉTODOS DE DESCONTAMINACIÓN DE AGUA El tratamiento del agua residual se lleva a cabo mediante procesos físicos, químicos, físicoquímicos y biológicos. a) PROCESOS FÍSICOS: La primera etapa es la descontaminación, en esta fase se remueven sólidos presentes en las aguas residuales, a través de rejas (basura, etc.), y desarendadores (partículas pesadas como grava, arena y semillas). Algunas técnicas son las siguientes (Interapas, 2012): • Filtros de cerámica (Castells, 2000) • Filtros de carbón activado (Mann+Humel, 2012) • Desinfección por rayos Ultravioleta (Weber, 2003) 12 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 b) PROCESOS QUÍMICOS: La desinfección del agua se realiza con varios desinfectantes químicos, los cuales son sustancias químicas que matan o desactivan microorganismos patógenos como son [Galicia et al., 2008]: • Cloración [Ramalho, 1996] • Purificación por ozono [Montecalvo, 2006] • Desinfección por osmosis inversa [Whitten et al., 2008] • Permanganato de Potasio [Noji, 1997] c) PROCESOS BIOLÓGICOS: El proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio ambiente de los microorganismos de modo que se consigan condiciones de crecimiento óptimas (Nodal, 2001). • Cultivo de bacterias (Salazar, 2009) d) PROCESOS FISICOQUÍMICOS: Este tratamiento consta, básicamente de dos etapas: coagulación y floculación (Aguilar et al., 2002). Los procesos de coagulación y floculación facilitan la eliminación de los sólidos en suspensión y de las partículas coloidales. Ambos tratamientos van siempre unidos (Sainz, 2007). • Coagulación: Desestabilización de unas partículas de pequeño diámetro, llamadas coloides, responsables de la turbidez o del color del agua superficial, causada por la adición de un reactivo químico llamado coagulante (Figura 1). Figura 1. Proceso de coagulación de partículas. • Floculación: Formación de aglomerados por unión de partículas en suspensión existentes en el seno del liquido, mediante la adición de un reactivo llamado floculante (Figura 2). 13 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Figura 2. Proceso de floculación de partículas FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA En los últimos años, se han propuesto el uso de los procesos de oxidación avanzada (AOPs) como una opción para el tratamiento de aguas contaminadas con sustancias complejas. Los Procesos Avanzados de Oxidación se clasifican en procesos fotoquímicos y no fotoquímicos, en función de la utilización o no de radiaciones luminosas en el proceso. En la tabla 2 se indican algunos de los más utilizados actualmente (Pey, 2013). Tabla 2. Procesos de oxidación avanzada más utilizados Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquímicos Ozonización Ultravioleta de vacio Ozonización con H2O2/ O3. UV/ H2O2 2+ Procesos Fenton (Fe / H2O2) UV/ O3 Oxidación electroquímica Foto-Fenton y relacionadas Radiólisis y tratamiento con haces de Fotocatálisis heterogénea: electrones Con semiconductores. Plasma no térmico Descarga electrohidráulica y ultrasonidos Con sensibilizadores orgánicos o complejos de metales de transición. Oxidación en agua sub y supercrítica. Uno de los Procesos de Oxidación Avanzados que más ha llamado la atención recientemente es la Fotocatálisis Heterogénea. La fotocatálisis heterogénea se diferencia de los demás procesos fotoquímicos, ya que no es selectiva y por los tanto puede emplearse para tratar mezclas complejas de contaminantes. El proceso de fotocatálisis se basa en la transferencia de carga a través de la interfaz entre el semiconductor y la solución acuosa contaminada. En la fotocatálisis se necesita la presencia de un semiconductor, en el cual la conductividad aumenta con la temperatura, pero esta es menor que en los metales (Jaramillo & Taborda, 2006). 14 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 La fotocatálisis hace referencia a una reacción catalítica que involucra la absorción de luz por parte de un catalizador o substrato. Si este es un semiconductor de banda ancha sensible a la luz, sobre el cual se originan fotorreacciones simultáneas de oxidación y reducción en diferentes zonas de la región interfacial (liquido-solido o gas-solido), se denomina a la tecnología fotocatálisis heterogénea. La fotocatálisis heterogénea permite la degradación, e incluso la mineralización, de una gran variedad de compuestos orgánicos (Rubiano et al., 2005). El dióxido de titanio, TiO2, es un semiconductor tipo n sensible a la luz que absorbe radiación electromagnética en la región del UV, es anfótero y muy estable químicamente. Un gran número de trabajos han reportado que el TiO2 es un buen fotocatalizador debido a que posee un adecuado valor de banda prohibida (~3eV) (García, 2012; Méndez et al., 2006). Además es utilizado como pigmento blanco, por sus propiedades de dispersión, recubrimiento anticorrosivo, sensor de gases, absorbente de rayos UV en productos cosméticos y en la industria cerámica. Polvos de dióxido de titanio han sido obtenidos utilizando diversos métodos, entre ellos: síntesis química en fase vapor (Akurati, 2006), hidrotérmica (Mesa, 2012), precipitación controlada (Wilches et al., 2007) y el denominado proceso sol-gel (Fernández & Guzmán, 2007), entre otros (Ochoa et al., 2010). Sin embargo en la última década se ha comenzado a explorar un método novedoso denominado de combustión (Mónros et al., 2003; Bender & Brubacher, 1977; Trejo, 2005; Skoog & West, 2002; Rodríguez, 1995). El método de combustión es una técnica bastante sencilla, rápida y económica (Patil et al., 2008). Fue desarrollada en 1967 por Merzhanov para la síntesis de boruro de titanio, esta técnica se basa en una reacción redox exotérmica, es decir, reacciones de oxidación y reducción entre un oxidante y un combustible. En el presente trabajo se reporta la funcionalización de la superficie del TiO2 por el método de combustión en solución para mejorar su eficiencia en la degradación de azul de metileno. METODOLOGÍA Durante el desarrollo experimental del presente trabajo se utilizaron los siguientes reactivos: 1. Dióxido de Titanio (TiO2) de grado analítico. (J. T. Baker) 2. Urea (NH2CONH2). (J. T. Baker) 3. Agua tridestilada (H2O) (Karal) MÉTODO DE COMBUSTIÓN EN SOLUCIÓN MODIFICADO Para la funcionalización de la superficie del dióxido de titanio por el método de combustión en solución modificado se prepararon 5 muestras de dióxido de titanio (TiO2) y se usó como combustible urea (NH2CONH2), la relación molar usada fue de TiO2:NH2CONH2 = 15 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 1:3. A cada muestra se le agregan 5 ml de agua y se colocaran en una parrilla a 70 °C hasta llevar casi a sequedad la suspensión. Una vez obtenidas las 5 muestras, se tomo una como la muestra blanco (TiO2 – Urea) y a las 4 muestras restantes (TiO2 - Urea) se les agregaran diferentes cantidades de agua (0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 ml). Las 5 muestras se llevaron a una mufla previamente precalentada a 800°C donde se calcinaron durante 5 minutos. CARACTERIZACIÓN DE POLVOS Los polvos obtenidos mediante el método de combustión en solución modificado se caracterizaron por diferentes técnicas. Los análisis de microscopia electrónica de barrido (MEB) fueron obtenidos con un microscopio electrónico de barrido marca JEOL modelo JSM-6610VL. Los patrones de difracción de rayos X (DRX) fueron obtenidos en un difractómetro de rayos X marca D8 Discovered Bruker, modelo Rocky -3786EV-RS, equipado con radiación de Cu Kα (λ=1.5406 Ǻ). El análisis TGA se llevo a cabo en un equipo STA449 F3 Jupiter. Finalmente, el análisis BET se llevo a cabo en un equipo Micrometrics, modelo ASAP 2020. EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD FOTOCATALÍTICA La actividad fotocatalítica se evaluó usando como contaminante azul de metileno (AM) cuya concentración se estableció en 30 ppm. A la solución de Azul de metileno se le agregaron 0.1 gr de TiO2 y un flujo de aire, esto se realizó a diferentes tiempos con una irradiación provista por una lámpara UV. La evaluación de la actividad fotocatalítica se llevó a cabo en un espectrofotómetro GENESYS 10S UV-Vis. RESULTADOS Y DISCUSIÓN CARACTERIZACIÓN DEL TiO2 DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) En la figura 3 se muestra el difractograma de las muestras de TiO2 – urea tratadas con diferentes cantidades de agua (0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 mL) y sometidas a combustión. Los picos principales del TiO2 se encontraron en los ángulos 2 = 25.63°, 37.29°, 38.24°, 38.97, 48.32°, 54.31° y 55.46° correspondientes a la fase anatasa de acuerdo a la tarjeta patrón JCPDS 78- 2486. No se observaron cambios estructurales debido al proceso de combustión. 16 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Figura 3. Muestras tratadas con diferentes cantidades de agua: a) 0.5 mL de agua, b) 1.0 mL de agua, c) 1.5 mL de agua y d) 2.0 mL de agua. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB) El tamaño y la morfología de las muestras de TiO2 tratados por el método de combustión en solución modificado fueron estudiados por MEB (Ortega et al., 2009). En todas las muestras se puede observar que las morfologías y tamaños de partículas son muy similares, en la figura 4 se puede observar la muestra de TiO2- Urea sin agua, la cual presenta tamaños de partícula entre 10 µm y 100 µm, se observa también en la superficie de las mismas una microestructura granular, posiblemente como resultado de la aglomeración de partículas más pequeñas. 17 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Figura 4. Micrografía MEB de la muestra blanco de TiO2. En la figura 5 (a) se presenta la muestra tratada con 0.5 mL de agua y en la figura 5 (b) se presenta la muestra tratada con 2.0 mL de agua, en ambas muestras se puede observar una morfología y tamaños de partícula muy similares a los obtenidos para la muestra tratada por combustión y sin agua. No se reportan las micrografías de las muestras con 1.0 mL de agua y 1.5 mL agua debido a que las micrografías son muy similares entre sí. Figura 5. Micrografía MEB del TiO2: (a) tratado con 0.5 mL de agua y (b) tratado con 2.0 mL de agua. En general puede observarse que todas las muestras presentaron aglomerados y un material denso. Granados et al., (2008) prepararon óxidos usando mezclas de nitratos en lugar de óxidos como los usados en el presente trabajo. Ellos encuentran partículas más pequeñas y de formas variadas y en algunos casos presentan contaminación con nitratos. La diferencia 18 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 en la morfología y composición en ambas investigaciones se debió al uso, en el presente trabajo, de TiO2 insoluble como precursor, con un tamaño de partícula de aproximadamente 1 µm. ISOTERMAS DE ADSORCIÓN (BET) La isoterma de nitrógeno a 77 K de la muestra de TiO2- Urea sin agua mostrada en la figura 6 se clasifica como tipo II, de acuerdo con la clasificación de la IUPAC (Ortega et al., 2009). Esta es característica de sólidos macroporosos o no porosos. 80 V[cm3(STP) g-1] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 P/Po Figura 6. Isoterma de N2 a 77 K para la muestra de TiO2- Urea sin agua. Para las muestras de TiO2 a las que se les agregó antes de la calcinación 0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 mL de H2O, se pudo observar que estas presentan isotermas del mismo tipo que la muestra TiO2- Urea sin agua (figuras no mostradas). El área superficial obtenida para todas las muestras fue de alrededor de 8 m2/gr, no observándose ningún cambio significativo debido al proceso de síntesis (Tabla 3) como se esperaba. Tabla 3. Área superficial de la muestra TiO2-urea con diferentes cantidades de H2O Muestra TiO2 TiO2-Urea sin agua TiO2-Urea con 0.5 mL de H2O TiO2- Urea con 1.0 mL de H2O TiO2- Urea con 1.5 mL de H2O TiO2- Urea con 2.0 mL de H2O Area superficial SBET (m2/g) 7.0 8.1 8.0 8.0 8.0 8.0 19 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Lo anterior puede explicarse considerando el hecho de que en el presente trabajo se utilizaron compuestos óxidos insolubles en lugar de nitratos, durante el proceso de combustión los compuestos de nitratos se solubilizan y forman complejos con el combustible, en nuestro caso al usar compuestos insolubles no se formaron dichos complejos, quedando las partículas de TiO2 sólo recubiertas por el combustible (urea) y al ser el tiempo de calcinación de tan sólo 5 minutos, no fue suficiente para hacer crecer más allá del tamaño original las partículas de TiO2. EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD FOTOCATALÍTICA Los resultados de la degradación de azul de metileno con una concentración inicial de 30 ppm a 285 minutos de exposición de radiación UV para el óxido de titanio (TiO2) calcinado y sin agregar agua se presentan en la figura 7. Se puede observar que la muestra comienza a degradar el azul de metileno a medida que se aumentan los tiempos de iluminación. Una vez transcurridos los 285 minutos el azul de metilo con la muestra de TiO2 con urea sin agua alcanza una degradación de aproximadamente 79.17 %. Figura 7. Degradación de azul de metileno en la muestra de TiO2- Urea sin agua. Para la muestra que se le agregaron 0.5 mL de agua los resultados indican que en los primeros 105 minutos la muestra degrada menos azul de metileno que la muestra sin agua 20 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 como se puede observar en la tabla 4, a partir de los 165 segundos se comienza a ver un incremento con respecto a la muestra sin agua, cuando llega a los 285 minutos degrada el 89.58 % del colorante, observándose que la adición de agua provoca que el proceso de degradación disminuya. Tabla 4. Porcentaje de degradación del colorante azul de metileno a diferentes cantidades de agua Muestra Tiempo (minutos) 15 45 105 165 225 285 0% 39.00% 55.66% 62.50% 72.23% 79.17% TiO2 –Urea sin agua 0% 27.09% 50.00% 66.67% 81.25% 89.58% TiO2 –Urea con 0.5 mL de agua 0% 50.00% 70.93% 82.56% 84.88% 88.38% TiO2 –Urea con 1.0 mL de agua 0% 49.44% 74.16% 84.27% 88.77% 92.14% TiO2 –Urea con 1.5 mL de agua 0% 48.24% 65.89% 75.30% 80.00% 83.53% TiO2 –Urea con 2.0 mL de agua La muestra de TiO2- Urea con 1.0 mL de agua, nos muestra que una vez transcurridos los 285 minutos la muestra alcanza una degradación del 88.38 %. La muestra de TiO2-Urea con 1.5 mL de agua alcanzó una degradación de 92.14% al transcurrir los 285 minutos. La muestra de TiO2-Urea con 2.0 mL de agua alcanza una degradación después de 285 minutos de 83.53%, la degradación disminuye aproximadamente 8.61%, como se puede observar en la Tabla 5. Como se puede observar en la tabla 4, la muestra que alcanzó la mejor degradación fue la de TiO2-Urea con 1.5 mL de agua, lo cual coincide con resultados obtenidos por otros autores, los cuales reportan que la cantidad óptima de agua se encuentra entre los 0.5 y 2.0 mL, después de esta cantidad se puede observar que la degradación empieza a disminuir. También se puede observar que a medida que se aumenta la cantidad de agua en las muestras, la degradación es mayor, lo cual indica que en este caso la adición de agua antes de la calcinación ocasiona diferentes grados de funcionalización en la muestra, mejorando las propiedades del compuesto para esta aplicación. Por otro lado se puede observar que la muestra sin agua también degrada en un porcentaje considerable, aproximadamente de 79.17% en comparación del TiO2 de grado analítico no tratado por el método de combustión el cual degrada aproximadamente en 240 minutos sólo el 31% en una solución de 30 ppm [5], lo cual sugiere que el uso de urea debe estar funcionalizando la superficie del óxido cambiando su estequiometría de TiO2 a TiO2-x. ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO (TGA) Los análisis termogravimétricos se realizaron en atmósfera de O2 para estudiar la funcionalización de la superficie, el intervalo de temperaturas estudiado comprende desde 21 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 la temperatura ambiente hasta los 900°C. En la figura 8 se muestran los resultados obtenidos para la muestra TiO2-Urea sin agua: Figura 8. Análisis Termogravimétrico en atmosfera de O2 de la muestra de TiO2-Urea sin agua. La curva termogravimétrica muestra que el TiO2-Urea sin agua no presenta ninguna pérdida de peso, se puede observar que alrededor de los 300 °C la muestra se activa teniendo un incremento en su porcentaje de masa de alrededor del 1.2% hasta los 900°C. A continuación se presenta la muestra de TiO2-Urea con 2 mL de agua, se puede apreciar que en el intervalo de 25 a 400 °C hay una pérdida en el porcentaje de masa de alrededor de 0.15% (Figura 9). A partir de los 400 °C se puede observar un incremento de peso, asociado a la oxidación aproximadamente de 0.9%. 22 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Figura 9. Análisis Termogravimétrico en atmosfera de O2 de la muestra de TiO2-Urea. Se observa que esta muestra adsorbe menos oxígeno que la muestra tratada con urea y sin agua, esto se puede explicar debido a que durante el proceso de combustión la muestra queda deficiente en oxígeno formando TiO2-x, al llevar a cabo el análisis TGA en ambiente de O2 la muestra de TiO2-x recupera el oxígeno perdido formando TiO2. Por otro lado, la muestra tratada con agua antes del proceso de combustión adsorbe menos oxígeno debido a que el agua agregada reacciona con el TiO2 durante la combustión formando TiO2-x menos deficiente en oxígeno. Las muestras (figuras no mostradas) tratadas con 0.5, 1 y 1.5 mL de agua antes de la combustión presentaron un comportamiento muy similar al de la muestra tratada con 2.0 mL de agua. CONCLUSIONES El método de combustión, el cual utiliza mezclas de nitratos metálicos y combustibles (urea, alanina, glicina, entre otros) para producir óxidos, cerámicos, intermetálicos, y otros productos, fue modificado en este trabajo para aumentar el área superficial del TiO2 usando mezclas precursoras de óxidos insolubles, combustible (urea) y agregando diferentes cantidades de agua antes del proceso de combustión (método modificado de combustión en solución). Se encontró que al aplicar este método no se logró aumentar el área superficial del TiO2, en su lugar se funcionalizó la superficie formando TiO2-x deficiente en oxígeno. Esta deficiencia de oxígeno favoreció su capacidad en la degradación de azul de metileno. El agregar diferentes cantidades de agua antes del proceso de combustión ocasiona que el TiO2 funcionalizado recupere el oxígeno perdido, disminuyendo su capacidad para degradar azul de metileno. La muestra con urea y con 1.5 mL de agua presentó la mayor eficiencia en la degradación de azul de metileno. 23 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Las muestras tratadas por combustión no sufren cambios estructurales a pesar de funcionalizar su superficie, y su morfología tampoco se ve afectada. BIBLIOGRAFÍA Acosta Raquel Susana, Saneamiento ambiental e higiene de los alimentos. Editorial Brujas, Primera edición. Córdoba (2008). Aguilar M. I., Sáez J., Lloréns M., Soler A., Ortuño J. F. Tratamiento físico- químico de aguas residuales: coagulación- floculación. Universidad de Murcia, Servicio de Publicaciones, (2002). Akurati K. “Synthesis, characterization and sintering of nanocrystalline titania powders produced by chemical vapour synthesis”. Journal of Physics D: Applied Physics. V. 39, (2006). Bender M. L., Brubacher L. J. Catálisis y acción enzimática. Editorial Reverte. Barcelona, España (1977). Cardona A. J., Calidad y riesgo de contaminación de las aguas superficiales en la microcuenca del Rio La Soledad, Valle de Ángeles, Honduras. Centro agronómico tropical de investigación y enseñanza. Turrialba, Costa Rica. (2003). Castells E. X. “Reciclaje de residuos industriales”. Editorial Díaz de Santos. Madrid, España (2000). Doménech X., Peral J. Química Ambiental de Sistemas Terrestres. Editorial Reverté. Barcelona, España (2006). EducaSitios, Proyecto agua: el ciclo del agua. Recuperado el 26 de Diciembre de 2012 de http://educasitios.educ.ar/grupo048/?q=node/45. Fernández A. M., Guzmán A. Obtención de recubrimientos con propiedades ópticas utilizando el método Sol-Gel. Trabajo de grado Ingeniería Física, Universidad del Cauca. (2007). p. 19 Fournier O. L. Recursos Naturales. Editorial Universidad Estatal a Distancia. Reimpresión de la 2ª Ed. San José, Costa Rica (2003). Galicia R. A., Pérez O. R., Castellanos Z. J. “Química I: Agua y Oxigeno”. 3 ª Ed. Dirección General del Colegio de Ciencias y Humanidades, México, D. F. (2008). 24 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 García A. J. ¿Qué son los semiconductores?. Recuperado el 08 de diciembre de 2012 de http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htm González Estévez Marnie, Evaluación del peligro de contaminación del acuífero del arroyo alamar, Tijuana, baja california. El Colegio de la Frontera Norte. Tijuana, B. C., México (2008). Granados C. F., Bonifacio M. J., Lara V. H., Bosch P., Bulbulian S., “Cobalt sorption properties of MgO prepared by solution combustion”, Applied Surface Science 254 (2008) 4688–4694. Interapas, “Sistema de tratamiento de aguas residuales”. Recuperado el 05 de Diciembre de 2012 de http://www.interapas.gob.mx/Cultura/folletos/sistema_de_tratamiento_de_aguas_residuales .pdf Jaramillo P. C., Taborda O. G. La fotocatálisis: Aspectos fundamentales para una buena remoción de contaminantes. Revista Universidad de Caldas, (2006), p. 71. Jiménez C. B. La contaminación ambiental en México: causas, efectos y tecnologías apropiadas. Editorial Limusa (2001). Mann+Humel Ibérica, S.A.U., División de Filtros Industriales. Filtros de Carbón Activado Mann+Hummel. Recuperado el 15 de Diciembre de 2012 de http://www.construnario.com/ebooks/8136/cat%C3%A1logos/filtros%20de%20carb%C3% B3n%20activo%20mann%5Bplus%5Dhummel/files/publication.pdf Méndez B., Fernández P., Cremades A., Magdas A., Piqueras J., Hidalgo P., Nogales E., Maestre D. Nano y microestructuras de óxidos semiconductores. Revista Española de Física. V.20 (2), (2006). Mesa R. J. Síntesis y Procesado de Materiales Híbridos, Tema 2: Síntesis Hidrotermal. Recuperado el 07 de Septiembre de 2012 de http://joseluismesarueda.com/pdf/master/2/TEMA_2.pdf Mónros G., Badenes J., García A., Tena M. El color de la cerámica: nuevos mecanismos en pigmentos para los nuevos procesados de la industria cerámica. Castello de la Plana: Publicacions de Universitat Jaume I, 3ª Ed. (2003). Montecalvo J. Estudio de la aplicación del ozono en el agua y los alimentos. Recuperado el 15 de Diciembre de 2012 de http://www.purificadoresparaagua.com/pdf/estudio.pdf Nodal B. E. “Procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual”. Ingenieria hidráulica y ambiental. 22 (4), (2001). 25 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Noji E. K. “The public health consequences of disasters”. Oxford University Press. (1997) Ochoa Y., Ortegón Y., Rodríguez P. J., “Síntesis de TiO2, fase anatasa, por el método solgel: estudio del efecto de la presencia de AcacH en el sistema”. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia (52), (2010). Ortega N., Núñez O., Urbina de Navarro C., González G., Monsalve A., Lozada L. Estudio morfológico del TiO2 modificado con Trans-cinamaldehido empleando MFA. Acta Microscópica, V. 18. (2009) Patil K. C., Hegde M. S., Rattan T., Aruna S. T. Chemistry of Nanocrystalline Oxide Materials: Combustion Synthesis, Properties and Applications; World Scientific: Singapur, (2008). Pey C. J. Aplicación de procesos de oxidación avanzada (Fotocatálisis solar) para tratamiento y reutilización de efluentes textiles. Recuperado el 11 de Enero de 2013 de http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/2241/tesisUPV2816.pdf Prieto B. C. El agua: sus formas, efectos, abastecimientos, usos, daños, control y conservación. Editorial EcoEdiciones, 2ª Ed. (2004). Ramalho R. S. “Tratamiento de aguas residuales”. Editorial Reverté. Barcelona, España (1996). Restrepo I., Sánchez L., Galvis A., Rojas J., Sanabria I. Avances en investigación y desarrollo en agua y saneamiento para el cumplimiento de las metas del milenio. Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle (2007). Rodríguez R. J. Eliminación de metales alcalinos de polioles mediante intercambio iónico. Colección de Tesis Doctorales No. 16. Servicios de Publicaciones de la Universidad de Castilla. La mancha, (1995). Roldan P. G. Bioindicación de la calidad del agua en Colombia. Editorial Universidad de Antioquia. 1ª Ed. (2003). Roldan P. G., Ramírez R. J. Fundamentos de limnologia neotropical. Editorial Universidad de Antioquia. 2ª Ed. (2008). Rubiano H. C., Laguna C. W., Zapata S. C., Marín S. J. Estudio sobre las posibilidades de aplicación de la fotocatálisis heterogénea a los procesos de remoción de fenoles en medio acuoso. Gestión y Ambiente V. 8, (1), (2005), p. 105. Sainz S. J. Tecnologías para la sostenibilidad: procesos y operaciones unitarias en depuración de aguas residuales. Editorial Fundación EOI, 1ª Ed. (2007). 26 Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 4(8): 9-27 2013 Salazar G. M. “Sistemas integrales de tratamiento de aguas residuales, mediante el uso combinado de digestión anaerobia y microalgas”. Departamento de Biotecnología, UAM. (2009). Skoog D. A., West D. M. Analytical Chemistry An Introduction. Editorial Reverté. (2002). Stanley E. M. Introducción a la química ambiental. Editorial Reverté, Primera edición. México (2007). Trejo O. A. Obtención de nanopartículas de MoO3 en un molino de baja producción. Tesis de Licenciatura, Centro de Investigación en Materiales y Metalurgia. Pachuca, Hidalgo (2005). Weber W. J. “Control de la calidad del agua: Procesos fisicoquímicos”. Editorial Reverté. Barcelona, España (2003). Whitten, K.W.; Davis, R.D.; Peck, M.L.; Stanley, G.G. Química general. 8a. ed. Madrid, Cengage Learning/Thomson Internacional, 2008 Wilches Z. M., Ruiz M. L., Hernández V. M. Fundamentos de instrumentación para la química clínica y las radiaciones ionizantes. Editorial Universidad de Antioquia. (2007). p.217. 27
