UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

UTEQ
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Firmado digitalmente por UTEQ
Nombre de reconocimiento
(DN): cn=UTEQ, o=UTEQ,
ou=UTEQ,
[email protected],
c=MX
Fecha: 2015.01.22 10:13:51
-06'00'
Nombre del Proyecto
Aplicaciones Fotocatalíticas del sistema clinoptilolita Óxido de
Zinc
Empresa
CINVESTAV
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN NANOTECNOLOGIA
AREA DE MATERIALES
Presenta:
José Jesús García Clemente
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Organización
Dra. Jacqueline Guadalupe Bocarando Chacon
Dr. Rafael Ramírez Bon
Santiago de Querétaro, Qro. Enero 2015
Resumen
En el presente trabajo se muestra un método, el análisis y conclusiones de una
investigación acerca del comportamiento de la zeolita natural tipo Clinoptilolita.
Para la realización de esta investigación se sometió la zeolita a una serie de
experimentos, en los cuales, se tenían que variar las concentraciones de peso,
con la finalidad de conocer la capacidad de degradación al entrar en contacto
con el colorante orgánico Azul de Metileno en su estado natural.
Posteriormente se modificó la superficie de las zeolitas al doparlas con un
semiconductor para saber los cambios de ésta. El semiconductor que se utilizó
es Óxido de Zinc (ZnO) y nanopartículas del mismo semiconductor (ZnO Np).
En un análisis realizado mediante; microscopia de barrido (SEM) y la observación
de absorción óptica mejor conocido como análisis UV-Vis, muestra en base a
resultados de las concentraciones, tomados antes y durante la experimentación
la superioridad de la zeolita modificada, frente a la natural. También se obtiene
una mayor capacidad de absorción del contaminante.
Además esta investigación también pretende dar a conocer un método viable,
ecológico y económico para el tratamiento de aguas residuales, con este tipo de
contaminantes, como las aguas residuales de las industrias textiles.
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Description
The place where I'm doing my internship is the research center of the
CINVESTAV, Querétaro unit. My workplace is laboratory number 10, which is a
broad, white lab. The lab is comfortable and there is a lot of material there. My
advisor is Dr. Rafael Ramirez Bon. He is tall and average weight. He has short,
straight, black hair. He is very quiet, and generous.
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Índice
Resumen....................................................................................................................................... 2
Description.................................................................................................................................... 3
Índice ............................................................................................................................................. 4
l. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 5
II. ANTECEDENTES ................................................................................................................... 7
III. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 12
lV. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 14
V. ALCANCE .............................................................................................................................. 15
Vl. ANÁLISIS DE RIESGOS .................................................................................................... 16
Vll. FUNDAMENTACION TEÓRICA ...................................................................................... 17
Vlll. PLAN DE ACTIVIDADES ................................................................................................. 41
IX. RECURSOS MATERIALES HUMANOS ......................................................................... 42
X. DESARROLLO DEL PROYECTO ..................................................................................... 44
Xl. RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................................ 51
Xll. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 54
Xlll. BIBLIOGRAFÍA
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l. INTRODUCCIÓN
En la presente investigación se plantea como la concentración elevada en los
efluentes, pueden contribuir de manera importante en la eutrofización
antropogénica de lagos y ríos, razón por la cual deben ser eliminados antes de
su vertido a aguas y suelos.
Una de las formas de efectuar dicho proceso, como aquí se prueba, es la
oxidación avanzada, en la cual las moléculas orgánicas son oxidadas mediante
radicales oxhidrilo (OH·), y que es el segundo mejor agente oxidante conocido y
que sólo es superado por el flúor, como se plantea en esta investigación.
Los radicales oxhidrilo usados en los procesos de oxidación avanzada, etapa
posterior al tratamiento primario y secundario de aguas residuales, que se
derivan de dos grupos de procesos: basados en el ozono y no basados en el
ozono (Metcalf & Eddy, 2004).
Además este trabajo muestra, como estos últimos puede incluirse a la
fotocatálisis, proceso en el que un semiconductor recibe radiación cuyo contenido
energético es suficientemente elevado como para provocar el salto de un electrón
desde su capa de valencia hasta la capa de conducción, con lo cual se generan
un electrón externo y un hueco en la capa de valencia. Este hueco y su electrón
pueden recombinarse o reaccionar con otras especies adsorbidas sobre el
semiconductor.
Cuando reacciona con una molécula de agua en presencia de un oxidante, como
el oxígeno disuelto, se forma un radical oxhidrilo (OH·) que será capaz de oxidar
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moléculas orgánicas presentes. Para evitar la recombinación, es necesaria la
presencia de un compuesto oxidante que pueda ser reducido. Este oxidante
puede ser oxígeno, peróxido de hidrógeno, persulfato de sodio o de potasio, etc.
(Mejía, 2010).
Por ende, este proyecto sobre “Aplicaciones Fotocatalíticas del sistema
clinoptilolita Óxido de Zinc”, tiene el propósito de sintetizar polvos de zeolita en
combinación con el semiconductor ZnO, ZnO- Np y determinar su potencial en
la absorción del azul de metileno. Aplicando este método de purificación en las
aguas residuales.
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II. ANTECEDENTES
Con el avance industrial el hombre ha tratado de mejorar la forma de vida del ser
humano, pero esto ha traído consigo grandes problemas en el área ambiental,
generando una muy significativa cantidad de desechos industriales peligrosos.
Es por esto que desde tiempo atrás se han desarrollado nuevas áreas y
tecnologías para tratar de disminuir la generación de desechos industriales.
A nivel mundial son muchos los países que invierten grandes cantidades de
dinero y esfuerzo en estudios científicos que contribuyan al mejoramiento
ambiental. (RAMÓN, 1998)
Algunas investigaciones plantean que existen grupos de silicatos aluminosos
hidratados de calcio, sodio o potasio, que contienen agua molecular la cual
fácilmente se disipa con el calor o el calentamiento, generando así esta
propiedad, que ocurren como racimos de cristales blancos o vítreos, llenando o
revistiendo el interior de las cavidades dejadas por el escape de gases en lavas
básicas o llenando grietas abiertas, y son derivadas de los feldespato por
hidratación, proceso donde se origina la zeolitas.
Las zeolitas están constituidas por aluminio, silicio, hidrógeno, oxígeno y un
número variable de moléculas de agua. (M., sf)
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Descripción de la empresa
El Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico
Nacional (Cinvestav) es un organismo público descentralizado, con personalidad
jurídica y patrimonio propios. Fue creado por Decreto Presidencial el 17 de abril
de 1961 (modificado posteriormente el 17 de septiembre de 1982), con el objeto
de formar investigadores especialistas a nivel de posgrado y expertos en diversas
disciplinas científicas y tecnológicas, así como la realización de investigación
básica y aplicada de carácter científico y tecnológico. El Cinvestav realiza estas
tareas básicamente dentro de cuatro áreas del conocimiento: Ciencias Exactas y
Naturales, Ciencias Biológicas y de la Salud, Tecnología y Ciencias de la
Ingeniería y Ciencias Sociales y Humanidades. En la actualidad, el Centro cuenta
con 28 Departamentos y Secciones académicos, organizados en 10 Unidades:
tres localizadas en la Ciudad de México y siete localizadas en el interior del país
(Guadalajara, Irapuato, Mérida, Monterrey, Querétaro, Saltillo y Tamaulipas).
El Cinvestav es una institución muy impresionante que demuestra que, cuando
se dan los medios a una institución con capacidad de liderazgo y que escapa a
las presiones del conformismo burocrático tradicional, México puede poseer
instituciones de educación y de investigación de clase mundial.
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Historia
La Unidad Querétaro del Cinvestav fue creada en junio del año 2000, después
de cinco años de actividades como Laboratorio de Investigación en Materiales,
con la misión de formar especialistas de alto nivel y realizar investigación básica
y aplicada en el área de Ciencia e Ingeniería de Materiales. A partir del 2006 es
además una de las sedes del Departamento de Matemáticas del CinvestavZacatenco, dando la opción a estudiantes atender el posgrado desde esta
Unidad. El Cinvestav-Querétaro ofrece actualmente programas de Maestría y
Doctorado en Ciencias, con especialidad en Materiales, ambos registrados en el
Padrón Nacional de Posgrado del CONACYT. Los programas de Maestría y
Doctorado en Matemáticas se imparten desde marzo del 2007; estos posgrados
están calificados con Nivel Internacional en el Padrón Nacional de Posgrados del
CONACYT. La Unidad Querétaro del Cinvestav opera con recursos de tipo fiscal,
así como con financiamiento de organismos descentralizados, el sector industrial,
agencias internacionales, etc. Cuenta con una planta académica de 25
investigadores de tiempo completo, todos miembros del Sistema Nacional de
Investigadores. En lo que respecta a su producción científica, en al año 2005 se
publicaron 58 artículos en revistas internacionales indexadas, sin considerar
otras publicaciones en revistas especializadas; se manejaron 25 proyectos de
investigación financiados por agencias nacionales e internacionales de apoyo a
la ciencia, además de 18 proyectos y servicios vinculados con el sector
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productivo; asimismo, se graduaron en dicho año 13 Maestros y 9 Doctores en
Ciencias, con especialidad en Materiales. El Cinvestav-Querétaro se ha hecho
acreedor a varios reconocimientos y distinciones a nivel nacional e internacional
y, asimismo, a nivel local, sus trabajos de investigación se han hecho acreedores
a 15 premios, otorgados por el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de
Querétaro, desde el año 2000
Ubicación
Libramiento Norponiente #2000, Fraccionamiento Real de Juriquilla. C.P.
76230 Santiago de Querétaro, Querétaro. México.
Misión
Desarrollar investigación y tecnología multidisciplinaria y de vanguardia en
el área de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, que nos garanticen la formación
de recursos humanos de alta calidad y que con vocación clara de vinculación con
los sectores productivos y sociales, contribuya de manera destacada al desarrollo
del país.
Visión
Ser el grupo de Ciencia e Ingeniería de Materiales líder en la generación
de conocimiento científico y tecnológico de frontera en el área de materiales y en
10
la formación de Investigadores y tecnólogos independientes de alto nivel, que
contribuyan a la solución de problemas tecnológicos con impacto económico y
social.
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III. JUSTIFICACIÓN
El agua constituye un recurso fundamental para el sector industrial, así como
para el desarrollo de las actividades agropecuarias, domésticas y municipales.
En principio, las existencias de agua en el planeta parecen ilimitadas. Sin
embargo, de los cerca de 1,4*1018m3 de agua existentes en la Tierra, más de un
97% corresponde a agua salada en océanos y mares y más del 70% de los
recursos potenciales de agua dulce se encuentra en forma de hielo, en su mayor
parte en la región Antártica.
Aun así, las existencias en lagos, ríos y aguas subterráneas técnicamente
accesibles arrojan cifras importantes, si se consideran de manera global e
independiente de su calidad. No obstante, tanto la localización de recursos
hídricos, como las exigencias de calidad que acompañan a la mayor parte de
sus aplicaciones, constituyen factores esenciales que limitan la disponibilidad real
de los mismos.
Actualmente, el uso de la energía solar aumento debido a factores como el
incremento en los costos de los combustibles fósiles y a los impactos ambientales
asociados al uso de los mismos. Entre las aplicaciones de la energía solar, como
fuente renovable, se tienen el calentamiento de agua, la generación directa e
indirecta de vapor, la desinfección de agua para consumo y el tratamiento de
efluentes contaminados.
12
La investigación de nuevos materiales con fines ambientales se ha vuelto cada
vez más importante en los últimos años debido al deterioro ambiental que ha
sufrido la tierra desde la revolución industrial; entre los materiales en
investigación se encuentran las zeolitas, que gracias a sus propiedades físicas,
puede tener un importante impacto en tratamiento de aguas, filtros de emisiones
al aire, tratamiento de suelos contaminados por metales pesados, residuos en
centrales nucleares, entre otros.
Por otra parte, cerca del 15 por ciento de los colorantes producidos a nivel
mundial se pierden en el proceso de teñido y pasan al agua residual liberada por
las plantas textiles (Houas, Lachheb, Ksibi, Elaloui, & Guillard, 2001).
Ventajas de la utilidad de la Zeolitas:

El uso de las zeolitas naturales para aplicaciones ambientales está
ganando terreno, principalmente debido a sus propiedades y bajo
costo.

Facilidad de explotación y tratamiento para su aplicación práctica.

Producción anual de zeolita natural es de aproximadamente 4
millones de toneladas en el mundo.
13
lV. OBJETIVOS
Objetivo general:
Sintetizar polvos de zeolita en combinación con el semiconductor
ZnO, ZnO- Np y determinar su potencial en la absorción de azul
de metileno.
Objetivos específicos:

Aplicación del material semiconductor ZnO en conjunto con la zeolita
natural Clinoptilolita a la degradación del compuesto orgánico azul de
metileno.

Evaluar la zeolita en la degradación del compuesto orgánico, variando
su concentración.

Estudiar la cinética de reacción que se lleva a cabo en la degradación
del compuesto orgánico.
14
V. ALCANCE
Identificar la relación de degradación de azul de metileno con
las zeolitas
Clinoptilolita en combinación con el ZnO, y las nanopartículas de éste
semiconductor mediante las caracterizaciones de transmitancia en el visible
(absorción óptica). Además de mostrar la capacidad de absorción con el azul de
metileno.
Y poder ser este trabajo una propuesta para purificar las aguas residuales, que
están contaminando los mantos acuíferos del país y porque no llevar esta idea a
nivel mundial.
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Vl. ANÁLISIS DE RIESGOS
En la realización del proyecto las limitantes que se observan son las siguientes:

Tener el material de cristal disponible para poner las nuestras que toquen
al día.

El clima lluvioso y nublado afecta el proceso de este proyecto, ya que
depende de la radiación solar para realizar el seguimiento de la
degradación.

Disponibilidad y funcionamiento del equipo.

Tiempo
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Vll. FUNDAMENTACION TEÓRICA
Importancia del agua
El incremento de las cifras de consumo del agua se ha elevado
considerablemente y, en consecuencia, la alteración negativa de las
características de esta (contaminación), se produce en la mayor parte de las
operaciones de uso de la misma, configuran un panorama en el que el agua ha
ido adquiriendo progresivamente el carácter de un bien cuya utilización queda
sujeta a principios de economía de consumo. (Ortuño, 1994).
Contaminación del agua
Los contaminantes más frecuentes del agua son de origen químico, biológico,
físico y orgánico. Estos últimos contaminantes son compuestos disueltos o
dispersos en el agua que provienen de desechos domésticos, agrícolas,
industriales y de la erosión del suelo. Los contaminantes orgánicos consumen el
oxígeno disuelto en el agua y afectan la vida acuática (Tchobanoglous, Burton, &
Stensel, 2002).
La fuente principal de contaminantes orgánicos en el agua residual de la industria,
provienen básicamente del sector petroquímico y derivados, así como el sector
farmacéutico, procesadoras de papel y pintura (Ahmed, Rasul, Brown, & Hashib,
2011).
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Aguas residuales
Llamamos aguas residuales a las aguas que resultan después de haber sido
utilizadas en nuestros domicilios, en las fábricas, en actividades ganaderas, etc.
Las aguas residuales aparecen sucias y contaminadas: llevan grasas,
detergentes, materia orgánica, residuos de la industria y de los ganados,
herbicidas y plaguicidas, y en ocasiones algunas sustancias muy tóxicas. Estas
aguas residuales, antes de volver a la naturaleza, deben ser depuradas. Para
ello, se conducen a las plantas o estaciones depuradoras, donde se realiza el
tratamiento más adecuado para devolver el agua a la naturaleza en las mejores
condiciones posibles.
Sin embargo, existen muchos pueblos y ciudades de nuestro país que vierten sus
aguas residuales directamente a los ríos, sin depurarlas. Esta conducta ha
provocado que la mayoría de los seres vivos que vivían en esos ríos hayan
desaparecido. (Las aguas residuales , SF)
18
Tratamiento y uso de agua residual
Del total de las aguas residuales municipales se trata el 37.1%, en tanto que
de las industriales, el porcentaje de tratamiento es el 19.3%. En México se tratan
88.1m3/s de agua residual entre las 2,029 plantas tratadoras municipales, es
decir, el 42% de los 209.1m3/s son recolectados por los sistemas de
alcantarillado.
Mientras que en el sector industrial solo se trataron 36.7m3/s entre las 2,186
plantas registradas; lo cual nos habla que el consumo de agua potable es mayor
en el municipio que en la industria (CONAGUA, 2011).
Azul de metileno
En México se generan, cada segundo, casi 200m 3
de aguas residuales
industriales, 40% de las cuales son efluentes, es decir, aguas contaminadas por
compuestos orgánicos tóxicos y/o persistentes, desecados por las industrias
química, farmacéutica, textil, siderúrgica, eléctrica, de papel y celulosa.
Del
total de efluentes industriales, sólo
alrededor de 13%
son tratadas
principalmente para eliminar la materia orgánica; de éste porcentaje, no todos los
compuestos tóxicos son eliminados (El Universal, 2008).
El azul de metileno es uno de los colorantes más comunes se usa para dar color
al algodón, lana y seda. Ya que los colorantes son de origen sintético y con
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estructuras moleculares aromáticas complejas son inertes y
difíciles de
biodegradar cuando se descaran a las corrientes de desecho. Este aspecto ha
sido pasado por alto en su descarga (Ho, Chiang, & Huseh, 2005).
Desde el punto de vista ambiental, la eliminación de colorantes sintéticos es de
gran preocupación, ya que algunos de éstos y sus productos de degradación
pueden ser cancerígenos, tóxicos y en consecuencia su tratamiento no puede
depender solo de la biodegradación (Reife, 1993).
La NORMA Oficial Mexicana NOM-065-ECOL-1994, establece los límites
máximos permisibles de contaminantes en las descaras de aguas residuales a
cuerpos receptores provenientes de las industrias de pigmentos y colorantes.
La NORMA Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, salud ambiental. Agua para
uso y consumo humano. Límites permisibles de calidad y tratamientos a que
debe someterse el agua para su potabilización, establece el límite permisible para
las sustancias activas al azul de metileno (SAAM) de 0.50 mg/l.
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Efectos en la salud por el azul de metileno
Aunque el azul de metileno no es muy peligroso, puede causar algunos efectos
perjudiciales. La exposición aguda al azul de metileno puede causar quemaduras
en los ojos y lesiones permanentes en humanos y animales. Su inhalación puede
ocasionar dificultad respiratoria, mientras que la inhalación a través de la boca
produce sensación de quemadura, puede ocasionar nauseas, vomito, confusión
mental, aumento en el ritmo cardiaco, shock, la formación de cuerpos de Heinz,
cianosis, ictericia, cuadriplejía
y necrosis de los tejidos en los seres humanos
(Rafatullah, Sulaiman, Hasim, & Ahmad, 2010).
Procesos para la destrucción de contaminantes orgánicos
La degradación de colorantes de aguas residuales industriales ha incrementado
su atención debido a sus efectos nocivos sobre aguas receptoras y algunos
métodos de remediación han sido desarrollados.
Técnicas físicas tradicionales como: adsorción sobre
carbón
activado,
ultrafiltración, osmosis inversa, coagulación por agentes químicos y resinas de
intercambio iónico sobre adsorbentes sintética, se han usado para la remoción
de contaminantes como los colorantes (Akpan & Hameed, 2009).
Los métodos antes mencionados, sólo transfieren el contaminante del agua a
otra fase, creando así una contaminación secundaria. Por lo tanto, se debe hacer
21
un tratamiento adicional de los desechos sólidos y la regeneración del
adsorbente, lo cual genera un costo adicional al proceso. La descomposición
microbiológica o enzimática, biodegradación, procesos avanzados de oxidación
como reacciones catalíticas con fentón y foto-fentón, procesos H2O2-UV, se ha
utilizado para la remoción de colorantes de aguas residuales (Dong, y otros,
2012).
La radiación solar y aplicaciones en la fotocatálisis
A partir del siglo XX la interacción de la materia con la luz se realiza desde el
punto de vista microscópico, considerándola como un proceso de absorción de
un fotón que conlleva la creación de un par electrón hueco o la emisión o
destrucción de un fotón creando excitaciones.
La materia puede interactuar con la luz en un amplio rango de longitudes de onda
y con diversos cambios en la estructura de las moléculas. Las radiaciones cerca
al espectro visible o ultravioleta (240-700nm) interactúan con los electrones de
una molécula y estas reacciones son las más importantes desde el punto de vista
ambiental.
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Fotocatálisis
La fotocatálisis es un fenómeno por el cual la luz puede reducir la energía de
activación de una reacción química. Cuando un semiconductor absorbe un fotón
con una energía hv igual o superior al valor de su energía de banda prohibida,
Eg (que es la energía mínima necesaria para convertir el material en un
conductor), un electrón de la banda de valencia se promueve hacia la banda de
conducción (figura 1.1) (CIMAV, 2013).
Figura 1.1. Esquema del mecanismo de la fotocatálisis. CIMAV
Una gran variedad de aplicaciones que van desde superficies auto limpiables,
anti-microbianas y antiempañantes, pasando por purificación de aire y agua,
hasta producción de hidrógeno inducida por luz solar, han sido desarrolladas y
23
muchas de estas aplicaciones ya cuentan con la vía a productos comerciales. Sin
embargo, una amplia investigación continúa para optimizar esta tecnología y para
ampliar el espectro de aplicaciones potenciales. El enfoque de la investigación y
aplicación de la fotocatálisis incluye recubrimientos con propiedades antiadherentes o anti-huellas dactilares, repelencia a la mugre, la descomposición de
materia orgánica, asociada a los microbios o a la grasa y la captura de CO 2
combinada con producción de hidrógeno (CIMAV, 2013).
El desarrollo y el crecimiento de las aplicaciones, tendrán gran relevancia en los
próximos años. Estas tecnologías se pueden dividir en dos grandes grupos:

Procesos termoquímicos: en los cuales la radiación solar es convertida en
energía termal, la cual a su vez genera una reacción química, que puede
ser utilizada como un sustituyente de los combustibles fósiles; un ejemplo
clásico es la generación de energía a través de metano. En este caso los
procesos son factibles gracias a los recursos convencionales de energía.
(Páez & Ocampo, 2006)

Procesos fotoquímicos: en este segundo grupo, los fotones solares son
absorbidos por un catalizador, generando una reacción que generalmente
consiste en la generación del par electrón-hueco, que conlleva a nuevos
procesos, principalmente de oxidación por la excitación de un
semiconductor. (Páez & Ocampo, 2006)
24
En esta segunda parte se focalizará nuestro interés, debido a que se utilizan
sustancias con baja energía y con alto poder oxidable, también porque los
procesos pueden ser cíclicos y no hay reacciones alternas que puedan degradar
los fotocatalizadores, además las reacciones pueden utilizar un rango amplio del
espectro solar tanto como sea posible, y además de esto la reacción inicial puede
ser lenta pero cuando alcanza el contenido energético adecuado, ésta aumenta
su velocidad. (Páez & Ocampo, 2006)
Procesos avanzados de oxidación
Una tecnología actual para la purificación del agua es el proceso de oxidación
mediante foto-actividad de materiales sintetizados, esta tecnología pertenece a
los Procesos Avanzados de Oxidación (PAO) para la destrucción de especies
orgánicas sintéticas resistentes a métodos convencionales.
Los PAO dependen de la generación in situ de especies radicales altamente
reactivas, principalmente (OH+, H2O2, O2- y O3) usando energía solar, química u
otras formas de energía (Chong et al 2010). La oxidación fotocatalíticas es la
destrucción del contaminante orgánico en presencia de un fotocatalizador y
radiación ultravioleta con el objetivo de generar radicales hidroxilo los cuales
tienen un efecto oxidante sobre el contaminante.
Existe diversos materiales con propiedades idóneas
para actuar como
catalizadores y llevar a cabo reacciones fotosensibilizadas, por ejemplo el TiO 2,
25
ZnO, CeO2, CdS, Fe2O3, WO3, ZnS y Gap. Estos materiales son económicos e
incluso muchos de ellos participan en procesos químicos en la naturaleza.
La mayoría de estos materiales puede excitarse con luz de no muy alta energía,
absorbiendo parte de la radiación del espectro solar que incide sobre la superficie
terrestre (λ>310 nm), lo cual incrementa el interés para un posible
aprovechamiento de la luz solar.
La teoría cuántica de los sólidos ha establecido una completa y rigurosa
descripción de los niveles de energía de un semiconductor, de la naturaleza de
los portadores de carga y de las leyes que gobiernan su movimiento.
El espectro de energía de los electrones en un cristal ideal consiste de grupos de
estados de energía llenos y estados de energía vacíos, llamados también bandas
de valencia (B.V.) y de conducción (B.C.) respectivamente. Entre estas bandas
de energía existe una zona en la que no es posible que permanezca un electrón
por falta de estados de energía, a esta zona se le denomina «Band gap», banda
prohibida o ancho de banda óptico.
Del valor de este ancho de banda óptico dependen las características
electrónicas del material, si es mayor a 4 eV es denominado dieléctrico y si es
cercana o igual a cero se le denomina metal, en cualquier otra circunstancia se
denomina semiconductor.
La figura 1.2 muestra esquemáticamente el potencial redox correspondiente a la
banda de valencia y a la banda de conducción para distintos semiconductores,
26
que puede ser expresado en eV (escala izquierda de la figura 12.) o en voltios
respecto al potencial del electrodo normal de hidrógeno, ENH (escala derecha de
la figura 1.2), muestra los potenciales redox de las cuplas (H+/½H2) y O2/H2 O
respecto del potencial del electrodo normal de hidrogeno (ENH). Nótese que
dichas líneas se corren por cambios en el pH, en la presión parcial de oxígeno, o
en la temperatura. Aquellos materiales cuya banda de conducción se ubica por
encima de la línea H+/H2 son termodinámicamente capaces de reducir al agua,
mientras que los materiales cuya banda de valencia se ubica por debajo de la
línea O2/H2O pueden oxidarla. (Rodríguez & Candal, sf).
Figura 1.2. Posición relativa de los bordees de las bandas de
conducción de valencia de algunos semiconductores.
27
De acuerdo al potencial de estos semiconductores para la oxidación o reducción
del agua se pueden dividir en tres grupos:
Reductivos: Pueden producir la reducción del agua y generar H2, sin embargo su
potencial de oxidación es muy débil para oxidarla, como ejemplos se tienen:
CdTe, CdSe y Si.
Redox: En este caso existe la posibilidad de oxidar y reducir el agua, como
ejemplos se tienen al CdS, SrTiO3, TiO2, ZnO, Nb2O5.
Oxidativos: Pueden producir la oxidación del agua y generar O2, ya que la banda
de valencia está localizada a un potencial energético suficientemente negativo.
Sin embargo el potencial de reducción de la banda de conducción es insuficiente
para reducir el agua, como ejemplos se tienen al MoS 2, Fe2O3, WO3 y SnO2.
(Rodríguez & Candal, sf)
Fotocatálisis heterogénea
La fotocatálisis heterogénea es un proceso que se basa en la absorción directa
o indirecta de energía radiante (Visible UV) por un sólido (el fotocatalizador
heterogéneo, que normalmente es un semiconductor de banda ancha) (Domenec
et al 2004; (Akpan & Hameed, 2009). En la región interfacial entre sólido excitado
y la solución tienen lugar las reacciones de destrucción o de remoción del
semiconductor puede tener lugar de dos formas (Mills y Hunte 1997):
28
a) Por excitación directa del semiconductor, de manera que éste es el
que absorbe los fotones usados en el proceso.
b) Por excitación inicial de moléculas adsorbidas en la superficie del
catalizador, las que a
su vez son capaces de inyectar caras
(electrones) en el semiconductor.
La fotocatálisis heterogénea tiene una gran variedad de aplicaciones las cuales
incluyen: purificación de agua, protección de la salud, terapia anti-cáncer,
producción de hidrógeno y remoción de contaminantes gaseosos.
Intensidad de la luz
La velocidad de reacción fotocatalítica depende ampliamente de al adsorción de
la radiación del fotocatalizador. Se han revelado incrementos en la velocidad de
degradación cuando ay un incremento en la intensidad de la luz durante la
degradación fotocatalítica.
La fotooxidación
La luz promueve reacciones de oxidación iniciadas por la presencia de radicales
libres. Para que estos procesos se lleven a cabo es necesaria la presencia de
agentes oxidantes, los que permiten la formación de dichos radicales, de los
29
cuales los más reconocidos y utilizados son el peróxido de hidrógeno, el ozono,
etc.
Entre los distintos procesos de aplicación para el tratamiento de aguas, la
combinación de radiación ultravioleta y el peróxido de hidrógeno son muy
interesante cuando se desea un agua con un alto grado de pureza. Este POA
implica la formación de radicales hidroxilo. Como se mencionó anteriormente, el
peróxido de hidrógeno es un potente agente oxidante no selectivo y una
excelente fuente de radicales libres; es además un aditivo deseable
ecológicamente ya que durante su descomposición únicamente se genera agua
y/o oxígeno. Desde finales de los años sesenta muchos autores han demostrado
el éxito de la fotooxidación con peróxido de hidrógeno. El éxito del proceso radica
en la formación estequiométrica de radicales hidroxilo (OHº) a partir de la
descomposición fotocatalítica del H2O2.
Óxido de zinc
El óxido de zinc (ZnO) es un material semiconductor tipo II-VI, que en años
recientes ha generado un gran interés debido a sus propiedades físicas en el
desarrollo de componentes para aplicaciones optoelectrónicas. Sus propiedades
ópticas
y eléctricas han sido investigadas ampliamente, llegando a ser
considerado en la actualidad un material optoelectrónico con cualidades muy
30
promisorias para utilizarse en numerosas aplicaciones tecnológicas: sensores de
gas en forma de películas delgadas, varistores, láser ultravioleta y visible, y
componentes de celdas solares
En la ciencia de materiales, ZnO es un semiconductor de banda prohibida ancha
del grupo de semiconductores II-VI. El dopaje nativo del semiconductor es de tipo
n. Este semiconductor tiene varias propiedades favorables, incluyendo una
buena transparencia, alta movilidad de electrones, amplia banda prohibida, y
fuerte luminiscencia a temperatura ambiente. Estas propiedades se usan en
aplicaciones emergentes para electrodos transparentes en pantallas de cristal
líquido, en el ahorro de energía o el calor protector de ventanas, y en la
electrónica como transistores de película delgada y los diodos emisores de luz.
(E-centro, 2014)
Propiedades eléctricas
ZnO tiene un hueco relativamente grande directa de banda de ~ 3,3 eV a
temperatura ambiente. Las ventajas asociadas a una gran banda prohibida
incluyen altas tensiones de ruptura, la capacidad de mantener grandes campos
eléctricos, el ruido electrónico de baja, y la operación de alta temperatura y de
alta potencia. La banda prohibida de ZnO más se puede ajustar a ~ 3-4 eV por
su aleación con óxido de magnesio u óxido de cadmio. (E-centro, 2014).
31
La mayoría de ZnO tiene carácter de tipo n, incluso en ausencia de dopaje
intencionado. Nonstoichiometry suele ser el origen del personaje de tipo n, pero
el tema sigue siendo controvertido. Una explicación alternativa se ha propuesto,
sobre la base de cálculos teóricos, que no intencionales impurezas de hidrógeno
por sustitución son responsables. Controlable dopaje de tipo n se logra fácilmente
mediante la sustitución de Zn con elementos grupo-III tales como Al, Ga, In o
mediante la sustitución de oxígeno con elementos grupo-VII cloro o yodo. (Ecentro, 2014)
Nanoestructuras de ZnO
Nanoestructuras de ZnO se pueden sintetizar en una variedad de morfologías
incluyendo nanocables, nanovarillas, tetrápodos, nanocintas, nanoflores,
nanopartículas, etc. nanoestructuras se pueden obtener con la mayoría de las
técnicas antes mencionadas, en ciertas condiciones, y también con el método de
vapor-líquido-sólido (E-centro, 2014).
Nanopartículas de ZnO
La nanotecnología, el diseño y la fabricación a nanoescala (<100 nm)
de
materiales con propiedades únicas, ha abierto un nuevo campo de aplicaciones
en productos de consumo, químicos y equipos médicos, tecnologías de la
32
información y el sector de la energía. Las nanopartículas (Nps) de Óxido de zinc
(ZnO) son semiconductores de banda-gap de espacios amplios que exhiben una
emisión
cercana de UV y conductividad transparente, lo que las hace
particularmente atractivas en su aplicación como sensores electrónicos y
fotovoltaica solar. En particular las nanopartículas de Óxido de Zinc (ZnO Np) han
sido ampliamente explotadas por sus propiedades fotocatalíticas (Zhang, y otros,
2014).
Definición de zeolita
La International Mineralogical Association,
define a una zeolita como una
sustancia cristalina con una estructura caracterizada por una red de tetraedros
entrelazados, los cuales consisten de cuatro átomos de oxígeno que rodean a un
catión. Esta red contiene cavidades abiertas en forma de canales y cajas. Estas
cavidades usualmente están ocupadas por moléculas de H 2O y otros cationes
que comúnmente son intercambiables. Los canales son lo suficientemente
amplios para permitir el paso de distintas especies. En la fase hidratada de este
mineral la deshidratación ocurre a temperaturas por debajo de los 400 ºC y su
rehidratación es reversible.
Además, Ming y Dixon, observando los elementos constituyentes de las zeolitas
la describen como alumino-silicatos hidratados con cationes alcalinos y alcalinotérreos que poseen una estructura tridimensional (tectosilicatos). La carga
33
negativa creada por el reemplazo de Si4+ por Al3+ en la estructura tetraédrica es
equilibrada por cationes (Na+, K+ y Ca2+, Mg2+). Estas cargas se sitúan a lo largo
de los canales y cavidades de la estructura. La figura 1 muestra de forma
esquemática una celda unitaria de zeolita. Esta representación muestra una
estructura formada sólo por átomos de silicio sin el reemplazo de éstos por
átomos de aluminio. (Adsorción de Contaminante Orgánico por medio de Zeolitas
Naturales de la Provincia del Guayas, SF)
Zeolitas
Las zeolitas naturales son formadas a partir de la precipitación de fluidos
contenidos en los poros, tal como en las ocurrencias hidro-termales, o por la
alteración de vidrios volcánicos. Las condiciones de presión, temperatura,
actividad de las especies iónicas y presión parcial de agua son factores
determinantes en la formación de las diferentes especies de zeolitas. Existen
cerca de 40 especies de zeolitas naturales conocidas, sin embargo, tan solo
algunas especies son ampliamente utilizadas (Jiexiang & Suren, 1993). Dentro
de esas se incluyen: mordenita, clinoptilolita, heulandita, phillipsita, eroinita y
chabazita. Están constituidas por aluminio, silicio, hidrógeno, oxígeno y un
número variable de moléculas de agua.
34
Las zeolitas son minerales compuestos por aluminosilicatos hidratados de
estructura cristalina, presentan poros y cavidades de tamaño entre 4 a 14 Ǻ. Sus
aplicaciones están basadas en sus propiedades:

Estructura porosa con celdas y canales nanométricos.

Alta capacidad de intercambio catiónico.
Las zeolitas naturales son un medio filtrante nuevo y muy bueno disponible para
la filtración del agua. Ofrece un funcionamiento superior a los filtros de arena y
carbón, con una calidad más pura y mayores tasas de rendimiento sin necesidad
de altos requisitos de mantenimiento. Tiene muchas ventajas sobre la arena y
puede ser directamente reemplazado por la arena en un filtro normal de arena.
Existen tres usos de zeolitas en industria: catálisis, separación de gas e
intercambiador de iones (Lenntech, 2014).
Catálisis: son extremadamente útiles como catalizadores para muchas
reacciones importantes con moléculas orgánicas. Las más importantes son
craqueo, isomerización y síntesis de hidrocarbonos. Las zeolitas pueden
promover una seria de reacciones catalíticas incluyendo acido-base y reacciones
de metal inducido. Las zeolitas también pueden ser catalizadores de ácidos y
pueden usarse como soporte para metales activos o reactivos (Lenntech, 2014).
Las zeolitas pueden ser catalizadores selectivos en cuanto a la forma, tanto por
la selectividad del estado de transición o por exclusión de reactivos competidores
en base al diámetro de la molécula. También se han utilizado como catalizadores
35
de oxidación. Las reacciones tienen lugar dentro de los poros de la zeolita, que
permite un mayor grado de control del producto (Lenntech, 2014).
Propiedades de las zeolitas
Propiedades mecánicas: son resistentes a la pulverización, tienen baja
resistencia al desgaste por fricción (abrasión) y no se convierten en terrones.
Tienen un bajo peso volumétrico (menor de 1,7 – 1,8 g/cm3).
Deshidratación e hidratación: la deshidratación y la hidratación de estos
minerales no producen cambios en su estructura, por lo que pueden llenarse de
líquidos o gases en ciclos repetidos.
Estabilidad térmica: la estabilidad térmica de las zeolitas varía a lo largo de la
temperatura. La temperatura de descomposición de zeolitas con contenidos
bajos en silicio es alrededor de 700 ºC, mientras que zeolitas completamente
silíceas, son estables hasta 1300 ºC.
Selectividad catiónica: La concentración catiónica, localización y selectividad de
intercambio varían significativamente con la relación Si/Al y juegan un importante
rol en aplicaciones de adsorción, catálisis e intercambio catiónico. Así mientras
la concentración de sitios ácidos decrecen con el aumento de la relación Si/Al,
los coeficientes de fuerza ácida y actividad de protones se incrementan con la
disminución de esta relación. Las zeolitas también se caracterizan por la
36
propiedad de que su superficie interna es altamente accesible y se puede
componer de más del 98 % del área de superficie total. Las áreas superficiales
son típicamente del orden de 300 a 700 m 2/g.
Propiedades de
intercambio
catiónico: debido a su rígida estructura
tridimensional, las zeolitas no sufren ningún cambio dimensional apreciable
durante el intercambio catiónico.
El comportamiento que presentan las zeolitas, frente al intercambio catiónico,
dependen en particular de:

La naturaleza de las especies catiónicas, la carga y el tamaño del
catión(anhidro e hidratado);

La temperatura;

La concentración de las especies catiónicas en solución;

La especie aniónica asociada al catión en solución;

El solvente (la mayoría de los intercambios se realizan en medio acuoso;
sin embargo, algunos trabajos reportan solventes orgánicos);

Las características estructurales de la zeolita.
El intercambio catiónico, en algunos casos, está acompañado de importantes
modificaciones en estabilidad, capacidad de adsorción, selectividad y
propiedades catalíticas.
37
Propiedades de adsorción: las zeolitas cristalinas son los principales minerales
adsorbentes. Los grandes canales centrales de entrada y las cavidades de las
zeolitas se llenan de moléculas de agua que forman las esferas de hidratación
alrededor de dos cationes cambiables. Si el agua es eliminada y las moléculas
tienen diámetros seccionales suficientemente pequeños para que estas pasen a
través de los canales de entrada entonces son fácilmente fijados en los canales
deshidratados y cavidades centrales. Las moléculas demasiado grande no pasan
dentro de las cavidades centrales y se excluyen dando origen a la propiedad de
tamiz molecular una propiedad de las zeolitas. (Adsorción de Contaminante
Orgánico por medio de Zeolitas Naturales de la Provincia del Guayas, SF)
Clinoptilolita
Como ejemplo de una estructura zeolitica se encuentra la clinoptilolita que es un
aluminosilicatos de sodio, potasio y calcio hidratado.es una zeolita que pertenece
a la familia de la heulandita junto con la laumontita y la modernita entre otras.
La composición química de la serie heulandita-clinoptilolita se caracteriza por
cambios marcados en la relación Si/Al así como en la composición de cationes
intercambiables. Los miembros de esta serie se distinguen de acuerdo a su
contenido de sílica (alta sílica vs baja sílica). Las zeolitas de baja sílica son ricas
38
en Ca y a menudo en Ba y Sr, mientras que la zeolita con alta sílica son ricas en
K, Na y Mg. (Guadalupe, 2012 )
Intercambio iónico y selectividad
El intercambio iónico es una operación unitaria donde los iones presentes en la
solución desplazan a los iones que se encuentran presentes sobre el material
solido insoluble, a este solido se le conoce como intercambiador iónico.
El intercambio iónico sucede por medio de una reacción de intercambio iónico
que depende de la afinidad del solido a la solución y en sentido contrario, algunos
iones serán más fácilmente intercambiables que otros. La capacidad de
intercambio de un intercambiador iónico es una medida del contenido total de los
sitios donde se intercambian cationes (sitios catiónicos) y la forma en la que se
expresa en términos de equivalentes de por quilogramo (miliequivalente por
gramo) del intercambiador seco.
Este intercambio iónico es una de las propiedades más importantes de las
zeolitas debido a que por un lado se pueden llevar acabo modificaciones sobre
ellas, para cambiar sus propiedades superficiales (afinidad por compuestos
orgánicos) y por otro lado, esta propiedad de intercambio iónico es útil en mal de
un proceso industrial, en la agricultura, en la acuacultura y en usos ambientales.
39
Actualmente las Zeolitas se usan exitosamente en el tratamiento de aguas negras
y residuales.
En los últimos años se han realizado varios estudios sobre la aplicación de
zeolitas naturales en la agricultura, empleándolas como acondicionadores de
suelo (Weber y col., 1983) La aplicación más importante de la capacidad de
intercambio catiónico de la zeolita es en la formulación de detergentes. Los
detergentes contienen zeolita que ablanda al agua, en esta etapa los iones Ca+2
y Mg+2 se intercambian de la solución a la zeolita mientras que los iones Na+1
de la zeolita a la solución.
Varias zeolitas naturales se han usado como
intercambiadores iónicos en la remoción de iones amonio en aguas residuales y
potables. (Guadalupe, 2012 )
40
Vlll. PLAN DE ACTIVIDADES
Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Revisión de literatura
Preparación de muestras
Preparación de soluciones
Mediciones del espectro de absorción óptica
Análisis e interpretación de resultados
Informe final
41
IX. RECURSOS MATERIALES HUMANOS
Los recursos materiales y humanos que se requieren para cada una de las
etapas son los siguientes:
Etapa 1
Materiales
1. Computadora
2. Revisión de la bibliografía y familiarización con el laboratorio de trabajo
Etapa 2
Materiales
1. ZnO.
2. ZnO Np.
3. Zeolita(clinoptilolita).
4. Mortero.
5. Vial de acero inoxidable.
6. Caja Petri.
7. Parafilm.
Etapa 3
Materiales
42
1. Molino mecánico
2. Bascula.
3. Etiquetas.
4. Azul de Metileno.
5. Agua destilada.
6. vaso de precipitados de 20 mL.
7. Espectrofotómetro UV-Vis.
8. OriginPro 8.
43
X. DESARROLLO DEL PROYECTO
Revisión de la bibliografía y familiarización con el laboratorio de trabajo
Durante el periodo de los días 18-22 de agosto del año 2014 se realizó revisión
y lectura de bibliografía como apoyo al proyecto, así como la familiarización y
experimentación con el equipo en el laboratorio y otras áreas de trabajo.
Obtención de los polvos
El día 25 del mes de agosto del año 2014 se pesaron 9 muestras en distintas
concentraciones de la zeolita Clinoptilolita, también se pesaron 4 muestras del
semiconductor ZnO y 4 de nanopartículas de ZnO.
Las muestras pesadas de Clinoptilolita fueron mezcladas con el semiconductor,
de las cuales 4 se mezclaron con ZnO, 4 con ZnO Np y una se dejó la zeolita
sola. Las concentraciones se muestran en la tabla 1.1.
44
Tabla 1.1. Concentraciones y contenidos de los polvos preparados.
Clinoptilolita (gr)
ZnO (gr)
ZnO-Np (gr)
4
0
0
3
0.5
0
3
1
0
3
1.5
0
3
2
0
3
0
0.5
3
0
1
3
0
1.5
3
0
2
Cada una de las mezclas fue colocada en el mortero y se molieron hasta llegar
a una apariencia lo más similar posible al polvo (figura 1.1).
Figura 1.1. Mezcla de los polvos en
mortero. Laboratorio de
procesamiento químico de películas
delgadas.
45
Molienda mecánica de la muestras
En los días 26 de agosto al 10 de septiembre del presente año se llevó a cabo
la molienda mecánica.
Para la molienda de una muestra preparada previamente, el polvo se depositó
en un vial de acero inoxidable (figura 2.1) con 7 esferas medianas y 10 pequeñas,
posteriormente se adicionaron 10 ml de etanol y se cerró el vial procurando evitar
derrames.
Figura 2.1. Vial de acero inoxidable.
Laboratorio de procesamiento químico
de películas delgadas.
El vial con la muestra se llevó al molino mecánico (figura 2.2) en el cual se
aseguró de ser bien colocado, se llevó a cabo una agitación de dos bloques de
30 minutos con un intervalo como descanso de 20 min. Este procedimiento se
siguió en cada una de las 9 muestras preparadas.
46
Figura 2.2. Molino mecánico. Laboratorio
de polvos metálicos.
Recuperación y pesado recuperado de las muestras
Después de la molienda se dejó esperar un tiempo de 20 minutos para enfriar el
vial, una vez hecho esto se abrió cuidadosamente, la mezcla fue retirada y
depositada en una caja Petri, (figura 2.3), se raspó el vial procurando recuperar
la mayor cantidad de mezcla posible, se esperó un tiempo de 24 horas para que
Figura 2.3. Raspado del polvo en caja
Petri. Laboratorio de procesamiento
químico de películas delgadas.
47
el etanol se evaporara a temperatura ambiente. Una vez evaporado se procedió
a raspar la mezcla seca con espátula de cada una de las esferas.
El polvo recuperado fue pesado y etiquetado (figura 2.4).
Degradación y Medición UV-Vis.
Preparación de solución de colorante:
El 11 de setiembre se preparó la solución del colorante, empleando 1L de agua
desionizada, y colorante Azul de Metileno a la concentración de 0.03 mM.
Pruebas preliminares del efecto de degradación en sol
Figura 2.4. Muestras de polvo pesado y etiquetado.
Laboratorio de procesamiento químico de películas.
Durante el día del 17 de septiembre se llevó a cabo una prueba preliminar de las
muestras al sol.
En un vaso de precipitados de 20 mL se depositaron 10 mL del colorante,
posteriormente se depositaron 0.01gr. del polvo obtenido, esto se repitió en cada
una de las diferentes muestras de polvo preparadas, con el fin de analizar
visualmente el efecto sobre el colorante, durante un intervalo de cada 30min se
48
tomó una fotografía de los vasos en exposición al sol, hasta llegar a observar la
menor cantidad de colorante en la solución.
Pruebas preliminares del efecto de degradación en sombra
En el mes de septiembre se llevó a cabo una degradación a la sombra empleando
3 vasos de precipitados de 20 mL, a cado uno se le agregó 10mL del colorante
azul de metileno, posteriormente se adicionó 0.01gr. del polvo de Clinoptilolita
previamente preparado, los vasos fueron llevados a una caja en donde se tuvo
precaución de que no se tuviera exposición solar.
En la tabla 1.2 se expresan las muestras polvo empleados en las pruebas
preliminares.
Tabla 1.2. Muestras de polvo en pruebas preliminares.
No. De vaso
Contenido
1
Clinoptilolita (4gr)
2
Clinoptilolita (3gr)
ZnO (0.5gr)
3
Clinoptilolita (3gr)
ZnO-Np (0.5gr)
Degradación solar y en sombra del colorante
Para la degradación de una sola muestra se pesaron 7 series del polvo de
Clinoptilolita seleccionado a degradar para el día, cada una con un peso
49
específico de 0.0107gr, en 7 vasos de precipitados de 20 mL se depositó a cada
uno 10mL de la solución de colorante azul de metileno, posteriormente a estos
se añadió la muestra de polvo previamente pesado.
Las muestras de degradación solar fueron tapadas con parafilm y
llevadas al
aire libre en donde se procuró tuvieran una buena intensidad de radiación solar.
Las pruebas realizadas a la sombra fueron colocadas en una caja cuidando que
recibieran la menor cantidad de luz posible.
Las muestras solares y en sombra fueron realizadas de acuerdo al clima del día
en el que se hicieron, es decir, día soleado y despejado para pruebas solares y
días lluviosos y nublados para pruebas en sombra.
Medición UV-Vis de las muestras degradadas
Los vasos fueron etiquetados en serie del 1-7, las mediciones de UV-Vis fueron
realizadas en intervalos de 30 minutos, del vaso 1 se tomó una alícuota 30
minutos después de haber sido expuesta al sol o a la sombra según fue el caso,
con una pipeta desechable, ésta fue depositada en un vaso de precipitados,
posteriormente se llevó la prueba al espectrofotómetro (figura 2.5) en donde
antes de realizar cada prueba fue
necesario calibrar el aparato con gua
desionizada, empleando para las muestras una celda de cuarzo para mejores
resultados.
La muestra del segundo vaso fue tomada a los 60 minutos, la tercera a los 90, y
así respectivamente hasta terminar la serie de los 7 vasos.
50
Al término de ésta degradación los vasos fueron decantados con el fin de
recuperar los polvos.
Xl. RESULTADOS OBTENIDOS
2.5. Espectrofotómetro UV-Vis.
transporte térmico.
Laboratorio de propiedades
y
Por medio del programa OriginPro 8 (figura 3.1) se graficaron cada uno de los
datos obtenidos, se observó la decoloración mediante la caída de la intensidad
de las bandas de absorción en los espectros.
Posteriormente en base a estos datos se procedió a realizar una repetición,
haciendo un cambio en la metodología.
Figura 3.1. Programa Origin Pro 8. Cinvestav Unidad Querétaro.
51
Repetición de la muestra Clinoptilolita y ZnO Np 1g a la sombra
Para esta repetición se emplearon los mismos polvos de la muestra Clinoptilolita
y ZnO Np 1g, de la cual se pesó la misma cantidad de 0.0107g en una serie de
7, mismas muestras que se pusieron a la sombra, una vez que se dejó reposar
el tiempo estimado de 30 minutos se tomó una alícuota y se llevó a centrifugación
durante un tiempo de 10 minutos a 4000 rpm, una vez centrifugado se retiró
cuidadosamente la solución y se depositó en la celda de cuarzo.
La absorbancia de esta repetición posteriormente se graficó, se analizó y se
comparó con los resultados obtenidos de la primera muestra a esta misma
concentración.
Se realizaron las degradaciones de todas las muestras tanto a la sombra como
en el sol, al observar el efecto positivo (figura 4.1) que se obtuvo sobre las
concentraciones de polvo preparadas se procedió a realizar las degradaciones
de cada una de las 9 muestras ya mencionadas, los resultados de las gráficas
arrojan los siguientes:
Figura 4.1. Resultados de la degradación preliminar expuesta al
sol. Cinvestav Unidad Querétaro.
52
Clinoptilolita a la sombra
Durante la degradación de la Clinoptilolita (figura 4.2) realizada a la sombra se
notó una buena cinética y efecto de éste sobre el colorante azul de metileno,
mientras que en las degradaciones que se hicieron de las combinaciones a
distintas concentraciones de la zeolita y el ZnO se observó un ligero cambio
respecto a la curva de degradación en la gráfica de Clinoptilolita y ZnO [0.5g]
(figura 4.3), por otro lado el resto de las gráficas en las siguientes degradaciones
muestran un buen efecto, y deseado sobre esta prueba.
53
Xll. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En las siguientes gráficas se observa que los polvos depositados tomaron el color
del azul de metileno, degradándolo de una forma muy diferente comparada con
la exposición al sol, puesto que, en la exposición solar los polvos recuperados
mantienen el color inicial con el que fueron vertidos a la solución.
Figura 4.2. Gráfica de la degradación cinética de zeolita Clinoptilolita a la sombra.
Cinvestav Unidad Querétaro.
54
Figura 4.3.Pruebas de Clinoptilolita y ZnO a la sombra. a) Gráfica de la degradación cinética de
Clinoptilolita y ZnO [0.5g], b) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO [1g], c)
Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO [1.5g], d) Gráfica de la degradación
cinética de Clinoptilolita y ZnO [2g]. Cinvestav Unidad Querétaro.
Durante el desarrollo de las pruebas de ZnO Np a la sombra se notó una
característica muy notoria en las gráficas realizadas (figura 4.4), en estas se
muestra el cambio que tiene el pico de absorbancia, ya que éste no sigue en lo
absoluto la tendencia de absorbancia del color azul de metileno como sucedió
en las pruebas de Clinoptilolita y ZnO (figura 4.3). Se notó además un cambio
peculiar en la muestra Clinoptilolita y ZnO Np [1gr], ya que en este caso el primer
pico de degradación se puede ver es la tendencia más baja, mientras que avanza
la prueba las curvas aumentan, dando una conclusión de que la solución se
55
colora, efecto que no sucede, puesto que visualmente se nota que el colorante
va desvaneciendo. Estos picos irregulares pueden ser la causa de que las
nanopartículas del semiconductor se encuentran disueltas en la solución, efecto
que no ayuda a seguir la cinética al 100% como se espera.
Figura 4.4. Pruebas de Clinoptilolita y ZnO Np a la sombra. a) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita
y ZnO Np [0.5gr], b) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO Np [1gr], c) Gráfica de la
degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO Np [1.5gr], d) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y
ZnO Np [2gr]. Cinvestav Unidad Querétaro.
56
Después de los datos obtenidos a partir de las degradaciones a la sombra se
prosiguió a realizar una gráfica con todos los resultados en la misma (figura 4.5),
ésta se encuentra en relación a la absorbancia y tiempo en el que cada una de
las muestras fue teniendo efecto.
Figura 4.5. Gráfica de las degradaciones realizadas a la sombra en relación a
absorbancia y tiempo. Cinvestav Unidad Querétaro.
57
Clinoptilolita expuesta al sol
Con el fin de seguir analizando los efectos del polvo ya mencionado se prosiguió
a realizar las pruebas al sol, de las cuales se obtienen las siguientes gráficas
(figura 4.6), muestra en la Clinoptilolita al sol se muestra que existe un efecto
positivo sobre esta Clinoptilolita al degradar al sol, más no que es lo
suficientemente rápido.
Figura 4.6. Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita al sol. Cinvestav Unidad
Querétaro.
58
Figura 4.7. Pruebas de Clinoptilolita y ZnO al sol. a) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita
y ZnO [0.5gr], b) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO [1gr], c) Gráfica de la
degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO [1.5gr], d) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita
y ZnO [2gr]. Cinvestav Unidad Querétaro.
Por otro lado al observar los resultados que se obtienen de las degradaciones de
las pruebas de Clinoptilolita y ZnO (figura 4.7) se deduce que el efecto
fotocatalítico de la zeolita en combinación con el semiconductor es más efectivo
y rápido, aún con las curvas que se obtienen
59
En consecuencia la Clinoptilolita y ZnO Np (figura 4.8) son aún más favorables al
sol que en la sombra y, en el mismo caso que el resto de las pruebas puesto que
se muestra un resultado evidente sobre el colorante.
a)
b)
Figura 4.8. Pruebas de Clinoptilolita y ZnO Np al sol. a) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita
y ZnO [0.5gr], b) Gráfica de la degradación cinética de Clinoptilolita y ZnO [1gr]. Cinvestav Unidad
Querétaro.
60
La gráfica de las degradaciones al sol con respecto en absorbancia y tiempo nos
muestra que en efecto las pruebas de Clinoptilolita y ZnO Np (figura 4.9), son las
mejores, pero la que se encuentra dopada con las nanopartículas a una mejor
concentración (Clinoptilolita y ZnO Np [1.5g]), es mejor.
Figura 4.9. Gráfica de las degradaciones realizadas al sol en relación a absorbancia y tiempo.
Cinvestav Unidad Querétaro.
Con base en lo anterior y por los comportamientos irregulares de las gráficas, se
tomó la decisión de realizar la repetición de la muestra a la sombra de
Clinoptilolita y ZnO Np [1g], esto con el fin de lograr el entendimiento del porqué
las curvaturas irregulares, como se muestra en la comparación se llegó a lo
correcto, debido a que después de haber centrifugado se midió la absorbancia
de la muestra, al graficar los resultados (figura 4.10) es notoria la tendencia que
61
se tiene. Aun así después de esto también se dedujo que no es recomendable la
centrifugación, esto se debe a que al tomar la alícuota y centrifugarla los polvos
que se sedimentan entra en constante agitación, provocando un efecto de
degradación más acelerado, y no permite llevar la medición a las mismas
condiciones.
Figura 4.10. Gráficas de Repetición de la muestra Clinoptilolita y ZnO Np [1gr] a la sombra. a) Primer
experimento sin centrifugado; b) repetición de la muestra Clinoptilolita y ZnO Np [1gr] con
centrifugado. Cinvestav Unidad Querétaro.
Por lo tanto, en el proceso de las pruebas fueron logrados satisfactoriamente, ya
que se sabe ahora que la Clinoptilolita en combinación con el ZnO y ZnO Np
logran una buena remoción del colorante orgánico, además de esto, la
Clinoptilolita actúa de mejor manera al sol cuando no se encuentra dopada del
semiconductor, asimismo la Clinoptilolita en combinación con el Óxido de Zinc
muestra un resultado favorable como método para la degradación del colorante
azul de metileno.
62
Polvos obtenidos
Despúes de realizar las degradaciones se prosiguió a decantar y recolectar los
polvos, estos tomaron diferentes coloraciones ya que estaban a la sombra y sol,
se metió a la caracterización de microscopia de barrido, las muestras que
estaban más coloridas a la menos coloreada.
Clinoptilolita Sombra
Figura 5.1. Las siguientes imágenes fueron tomadas por microscopía de barrido a 5 y 10 micras de los
polvos obtenidos de Clinoptilolita con 4 gr. sombra Cinvestav Unidad Querétaro
Muestra de clinoptilolita a la sombra, en esta se puede observar la zeolita que
son los fragmentos más grandes y los pequeños son el azul de metileno, esto se
sube ya que se le hizo análisis químico, por esto mismo se tiene el color azul a
simple vista.
63
Clinoptilolita ZnO Np Sombra
Figura 5.2. Las imágenes que se muestran a continuación, fueron tomadas por microscopía de
barrido a 5 y 10 micras de los polvos obtenidos de Clinoptilolita y Nanopartículas de ZnO a la
sombra. Cinvestav Unidad Querétaro
En la muestra de Clinoptilolita con Nanopartículas de Óxido de Zinc, se observan
fragmentos pequeños que son las Np ZnO y las más grandes, son la Clinoptilolita,
experimento realizado a través de la microscopía de barrido.
64
Clinoptilolita ZnO Sol
Figura 5.2 Las imágenes muestran, a 5 y 10 micras de los polvos obtenidos de Clinoptilolita con
ZnO al sol. Tomadas por microscopía de barrido en Cinvestav Unidad Querétaro
En la muestra Clinoptilolita con Óxido de Zinc al sol, se observa una disminución
en el azul de metileno ya que fue afectado por el sol, pero si se tiene el ZnO y la
Clinoptilolita esto se sabe al análisis químico que se hizo en el microscopio de
barrido.
65
Xlll. BIBLIOGRAFÍA
(SF). Adsorción de Contaminante Orgánico por medio de Zeolitas Naturales de
la Provincia del Guayas.
Ahmed, S., Rasul, M., Brown, R., & Hashib, M. (2011). Influence of parameters
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