Desarrollo de electrodos para desinfección fotocatalítica de aguas

Abstract

La contaminación de las aguas por microorganismos patógenos constituye uno de los problemas más importantes de la sociedad actual. La presencia de estos microorganismos en el agua genera, la mayoría de las veces, problemas agudos de salud, lo que junto a unas regulaciones cada vez más estrictas, ha impulsado, en la última década, al desarrollo de nuevas tecnologías de desinfección de aguas. Los métodos convencionales presentan importantes inconvenientes como son la generación de subproductos tóxicos y la utilización de grandes cantidades de reactivos químicos. Por este motivo, cada vez más crecientemente se esta recurriendo al uso de las llamadas Tecnologías Avanzadas de Oxidación, destacando la fotocatálisis heterogénea con TiO2 por ser un proceso fotoquímico no selectivo y poder emplearse para tratar mezclas complejas de contaminantes, la posibilidad de la utilización de la radiación solar como fuente de energía, unas condiciones de operación favorables y que no produce subproductos peligrosos ni residuos. El empleo de catalizadores inmovilizados sobre un soporte provee una alternativa para suprimir la etapa de separación necesaria en los procesos fotocatalíticos con catalizador en suspensión, a costa de una reducción en el rendimiento del sistema. Una de las estrategias de mejora de la eficiencia fotocatalítica cuando se emplean catalizadores soportados consiste en la aplicación de potenciales eléctricos, con la finalidad de separar las reacciones anódicas y catódicas, reduciéndose drásticamente la recombinación electrón-hueco. A este proceso se le conoce como fotoelectrocatálisis o fotocatálisis asistida por potencial. En el presente trabajo de investigación se han preparado diferentes tipos de electrodos fotocatalíticos, realizándose su caracterización electroquímica y evaluando su eficiencia fotocatalítica con el fin de estudiar la relación entre actividad y características electroquímicas. Además, se estudió la eficacia del proceso fotoelectrocatalítico en comparación con el proceso fotocatalítico, y utilizando los distintos electrodos preparados se determinaron las diferencias existentes entre las reacciones de oxidación de compuesto químicos y las de inactivación bacteriana, así como el efecto de la composición química del agua y la posible desactivación de los electrodos como consecuencia de su reutilización. Los electrodos estudiados se diferencian en el soporte, empleándose titanio metal o vidrio conductor, y la fuente de TiO2, que puede ser por calcinación del soporte metálico o por recubrimiento del soporte con TiO2 Degussa P25 mediante un proceso de recubrimiento por inmersión (electrodos particulados). Como resultado de la caracterización electroquímica de los electrodos se determina que un aumento de la radiación incidente se traduce en un aumento directo de la fotocorriente generada en el circuito externo; y que los potenciales a los que pueden trabajar de forma segura los electrodos dependen tanto del soporte como del método de preparación. Además, se concluyó que para los electrodos particulados la fotocorriente registrada aumenta significativamente por la presencia de un compuesto orgánico como el metanol en el medio, mientras que no se observa ninguna variación importante para los electrodos preparados por calcinación. En general, se observó que los resultados alcanzados en los procesos fotoelectrocatalíticos son superiores a los de los procesos fotocatalíticos correspondientes, lo que indica que la aplicación de un pequeño potencial ciertamente parece reducir la recombinación del par electrón-hueco, reflejado en un incremento de la velocidades de degradación de compuestos orgánicos e inactivación bacteriana. Al realizar una comparación de las reacciones fotoelectrocatalíticas de degradación de compuestos orgánicos para los distintos electrodos de trabajo se pudo determinar una relación directa entre la actividad del catalizador y la fotocorriente registrada, sin embargo, en los procesos de desinfección dicha relación no se daba, no registrándose un mayor valor de fotocorriente para una mayor actividad fotocatalítica del catalizador. Entre los procesos de degradación de contaminantes orgánicos y de desinfección bacteriana son muchas las diferencias existentes que impiden relacionar ambos procesos. Esto implica que no es posible utilizar un contaminante orgánico de fácil estudio para evaluar la actividad fotocatalítica y fotoelectrocatalítica de los distintos electrodos. Esta diferencia de comportamiento puede ser consecuencia de la menor accesibilidad de las bacterias hacia el interior del catalizador dado el tamaño de estas, por lo que la actividad catalítica se reduce. Mientras que en las reacciones de degradación del compuesto orgánico, las moléculas del compuesto y sus subproductos tienen un pequeño tamaño que les permite atravesar la película de catalizador sin dificultad y llegar a los centros activos. La presencia de compuestos orgánicos e inorgánicos en bajas concentraciones en el agua hace que aparezca una competencia entre estas sustancias y el compuesto o bacteria a eliminar por las especies oxidantes, reduciéndose la velocidad de degradación o inactivación. Por el contrario, en electrolitos de concentración salina elevada el efecto es el opuesto, aumentando la actividad catalítica como consecuencia de la elevada conductividad del medio, a pesar de la existencia de cierta competencia entre los iones inorgánicos de la sal y el compuesto o bacteria a degradar por los radicales hidroxilo. Por lo que, la composición química del agua influye de forma importante en los procesos fotocatalíticos y fotoelectrocatalíticos, reduciendo o aumentando la eficiencia de los mismos. Finalmente, se realizó un estudio de la desactivación de los electrodos tras varios ciclos de reutilización, en el que se determinó que en los tratamientos fotocatalíticos de desinfección bacteriana no existe pérdida de actividad del catalizador. Por el contrario, en los procesos de degradación de compuestos químicos se observó una disminución de la actividad del catalizador, siendo la principal causa de la desactivación de los electrodos el bloqueo de los sitios activos del catalizador por moléculas del compuesto químico, sus intermedios u otras especies residuales.