UTEQ UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Firmado digitalmente por UTEQ Nombre de reconocimiento (DN): cn=UTEQ, o=UTEQ, ou=UTEQ, email=cmacias@uteq.edu.mx, 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. 2 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. 3 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 4 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 5 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. 6 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) 7 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. 8 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 9 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. 11 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. 15 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 16 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). 17 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 19 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. 20 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. 22 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). 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