Desarrollo de electrodos para desinfección fotocatalítica de aguas
Fecha
2010-06
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Editor
Universidad Rey Juan Carlos
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Resumen
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.
Descripción
Proyecto Fin de Carrera leído en la Universidad Rey Juan Carlos en el curso académico 2009/2010. Directores del Proyecto: Javier Marugán Aguado y Jesús Palma del Val. Colaboradora: Cristina Pablos Carro