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FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA Y HOMOGÉNEA
Jeimy Lorena Acosta Delgado Pilar Andrea Calderón Urriago David Esteban Rodriguez Fuentes Wilson Andrés Sánchez Ruiz
Facultad de Ingeniería Industrial Universidad Antonio Nariño Bogotá 2016.
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Contenido 1.
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 3
2.
OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 4 2.1.
Objetivo General ................................................................................................................................ 4
2.2.
Objetivos específicos.......................................................................................................................... 4
3.
PROBLEMÁTICA .......................................................................................................................................... 5
4.
JUSTIFICACIÓN............................................................................................................................................ 6
5.
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................................ 7 5.1.
6.
Destrucción de contaminantes orgánicos por fotocatálisis heterogénea......................................... 8
PRINCIPIOS DE LA CATALISIS HETEREOGENEA ........................................................................................... 9 6.1.
Catalizadores .................................................................................................................................... 11
6.1.1.
Longitud de onda.......................................................................................................................... 11
6.1.2.
Temperatura................................................................................................................................. 12
6.1.3.
Flujo radiante ............................................................................................................................... 13
7.
CONCLUSIONES ........................................................................................................................................ 15
8.
REFERENCIAS ............................................................................................................................................ 16 8.1. 8.1.1.
Cibergrafia ........................................................................................................................................ 16 Bibliografia.................................................................................................................................... 16
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1. INTRODUCCIÓN
El origen principal de la contaminación exterior se centra en la industria, los compuestos como 0 los óxidos de azufre y/o óxidos de hidrogeno sumados a la arquitectura tan vertical que rodea la
cuidad en nuestro ambiente hace que sea difícil que los contaminantes se dispersen, estos a nivel interior muchas veces vienen afectando a la salud se podría decir que la contaminación afecta sobre todo el aparato respiratorio. En términos de productividad empresarial se puede decir que el ausentismo laboral se cifra en 7,5 días por persona en el año, en cuanto a la legislación vigente se hace referencia al óxido de azufre y al oxido de hidrogeno. En definición la fotocatálisis parte del principio natural de descontaminación de la propia naturaleza. Al igual que la fotosíntesis, gracias a la luz solar, es capaz de eliminar CO2 para generar materia orgánica, la fotocatálisis elimina otros contaminantes habituales en la atmósfera, como son los NO, SO, C, mediante un proceso de oxidación activado por la energía solar. La fotocatálisis del dióxido de titanio tiene la capacidad de eliminar los óxidos de nitrógeno (NO). Lo que ocurre en esa reacción de fotocatálisis es que el monóxido de nitrógeno (NO) se oxida cuando el catalizador, es decir el dióxido de titanio, se expone a la luz, convirtiéndose en dióxido de nitrógeno y finalmente en ácido nítrico. Se ha demostrado que otras partículas, como el dióxido de azufre, también pueden ser limpiadas. El dióxido de titanio es uno de los materiales básicos usados en la vida diaria. Se emplea en variedad de pinturas, cosméticos e incluso en la fabricación de ciertos materiales comestibles. Naturalmente, el tipo de dióxido de titanio usado para la fabricación de un pigmento no es el mismo que el que se usa en un proceso de fotocatálisis.
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2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General 1. Hacer énfasis y dar a entender todo lo pertinente a la fotocatálisis heterogenia y homogénea, así mismo demostrar la importancia en todo el proceso que desarrolla un catalizador.
2.2.Objetivos específicos 1. Demostrar la importancia de la fotocatálisis en todas sus aplicaciones químicas. 2. Identificar los diferentes procesos de un catalizador durante el proceso químico. 3. Analizar y comprender como se efectúa el uso del dióxido de titanio y la conversión de dióxido de carbono en gases de hidrocarburos utilizando dióxido de titanio en presencia de agua. 4. Desarrollar un amplio conocimiento en cuanto a los diferentes procesos de oxidación avanzados.
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3. PROBLEMÁTICA
La contaminación del agua puede tener su origen tanto en la propia naturaleza como en la actividad humana. En la actualidad es esta última, sin duda, la de mayor importancia. Existen cuatro focos fundamentales de contaminación del agua causada por el hombre:
Industria: cada tipo de industria genera una serie de residuos específicos. Se detallan algunas a continuación:
Construcción: sólidos en suspensión, metales, alteración en el pH. Energía: incremento de la temperatura del agua, hidrocarburos y productos químicos. Textil y piel: cromo, taninos, sulfuros, colorantes, disolventes, grasas, etc. Pasta y papel: sólidos en suspensión y otras sustancias que afectan al balance de oxígeno. Vertidos urbanos: los vertidos que se generan de la actividad doméstica son fundamentalmente orgánicos, pero una vez en la red de alcantarillado, esta agua arrastra además todo tipo de sustancias originadas por los automóviles (hidrocarburos, aceites, plomo, etc.).
Agricultura y ganadería: en este sector se producen vertidos de restos orgánicos, tanto animales como vegetales, pesticidas, fertilizantes, etc.
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4. JUSTIFICACIÓN
La fotocatálisis heterogénea constituye una de las alternativas de tratamiento para diferentes materiales y compuestos químicos. Los tratamientos, convencionales resultan en algunos casos inadecuados por el rango de concentraciones manejadas por estos o necesitan un tratamiento adicional para lograr el objetivo, además con estos métodos no se logra la degradación completa de contaminantes de baja o nula biodegrabilidad. La fotocatálisis con radiación solar o artificial, resulta ser un proceso efectivo para el tratamiento de aguas residuales por la oxidación y eliminación de contaminantes, aumenta la velocidad de reacción en comparación con la misma técnica en ausencia de luz, evita cambios de pH drásticos y además, mejora las propiedades del agua tratada.
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5. MARCO TEÓRICO
Fotocatálisis es una palabra compuesta que se compone de dos palabras, "foto" y "catálisis". Catálisis es proceso donde una sustancia participa en la modificación de la reacción y transformación química reactiva sin alteración ni limitación. Esta sustancia se conoce como catalizador ya que aumenta el índice de una reacción reduciendo la energía de activación. Hablando en términos generales, la fotocatálisis es la reacción que utiliza la luz para activar una sustancia. Cuando TiO2 se ilumina con la luz de suficiente energía, pares electrón-hueco son tan convulsionados que los electrones adicionales van a través de la brecha de banda a banda de conducción, mientras que los agujeros están en la banda de valencia. Los electrones excitados a continuación, pueden ser usados para las reacciones redox en la superficie de TiO2, como la producción de metano y etileno con Cu-Fe-SiO2 cargado foto catalizador TiO2 (ilustración 1). Existen múltiples fases de TiO2. Por ejemplo, la fase rutilo puede ser excitado por la luz visible, pero tiene una tasa de recombinación de carga rápida; Anatasa, por el contrario, tiene una tasa de recombinación lenta, pero sólo puede ser excitada por la luz ultravioleta. Por lo tanto, es razonable producir foto catalizadores en fase mixta para aumentar la eficiencia total. La catálisis interviene en muchos procesos industriales. Así mismo, la mayoría de los procesos “biológicamente” significativos son catalizados.
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5.1. Destrucción de contaminantes orgánicos por fotocatálisis heterogénea La fotocatálisis heterogenia es una disciplina que incluye gran variedad de reacciones de oxidación tales como: oxidaciones suaves o totales, des hidrogenación, trasferencia de hidrogeno, intercambio isotópico de oxigeno depósito de metales descontaminación de aguas remoción de contaminantes gaseosos, acción bactericida, etc. Para la descontaminación o desinfección se le pude denominar como una de las nuevas <>. La fotocatálisis heterogénea puede realizarse en diferentes medios: fase gaseosa, fases liquidas orgánicas puras o disoluciones acuosas, en cuanto a la catálisis heterogénea clásica, el proceso general puede descomponerse en cinco pasos: 1. Transferencia de los reactivos de la fase del fluido a la superficie. 2. Adsorción de al menos uno de los reactivos, 3. Reacción de la fase adsorbida. 4. Desorción del/de los producto/s. 5. Remoción de los productos de la energía. La única diferencia con la catálisis convencional es el modo de activación del catalizador, ya que la activación térmica es reemplazada por una activación fotonica según se explica en el siguiente párrafo. El modo de activación no tiene relación con los pasos 1, 2, 4 y 5, aunque si existe la fotoadsorción de algunos reactivos, principalmente del oxígeno. El paso 3 contiene todos los procesos fotoelectrónicos y puede descomponerse de la siguiente manera: Paso 3: reacción en la fase absorbida 1. Absorción de los fotones por el sólido pero no por los reactivos. En la fase absorbida no hay fotoquímica. En este sentido la fotocatálisis difiere fundamentalmente de la fotosensibilización. 2. Creación de pares de electrón-hueco que se disocian e fotoelectrones y fotohuecos positivos (vacancias electrónicas). 3. Reacciones de transferencia de electrones tales como ionización (en el caso del , NO, etc.), neutralización de cargas, formación de radicales, reacciones superficiales, etc.
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Ilustración 1 mecanismo fotocatálisis
6. PRINCIPIOS DE LA CATALISIS HETEREOGENEA Cuando un catalizador semiconductor de tipo halogenuro (óxidos o sulfuros) es iluminado con fotones cuya energía es igual o superior a la de la energía del bandgap (ilustración 3) (ℎ = ) , ocurre una absorción de estos fotones y una creación dentro del conjunto de pares
electrón-hueco, que se disocian en fotoelectrones libres en la banda de conducción y en fotohuecos en la banda de valencia ( ilustración 2).
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Ilustración 2 diagrama de la banda de energía de una partícula esférica de dióxido de titanio. (N: centro neutro; E: energia [luz hi <= hi o calor])
Simultáneamente, en presencia de una fase fluida (gas o liquido), ocurre una adsorción espontanea, dependiendo del potencial redox (o nivel de energía) de cada adsorbato, se verifica una transferencia de electrones hacia las moléculas aceptoras, mientras que un foto hueco positivo es transferido a una molécula donadora, la transferencia del hueco corresponde a la cesión de un electrón por parte del donador al solido).
Ilustración 3 brecha de bandas o bandgap
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6.1.Catalizadores Se han utilizado varios calcogenuros (óxidos y sulfuros) , , O4 CdS, ZnS, etc. Se observa en general que los mejores desempeños fotocatalíticos, con máximos rendimientos, se obtienen siempre con dióxido de titanio. Además, la anatasa es la forma alotrópica más activa entre las diferentes formas disponibles, ya sea natural o artificial (rutilo y brookita). El catalizador utilizado fue titanio (TiO2 Degussa P-25, 50 m2 / g, principalmente anatasa), a menos que se indique lo contrario. Dependiendo de la reacción considerada, es posible elegir diferentes fotorreactores: Para experimentos de laboratorio, se utilizan fotorreactores en batch tipo slurry, ya sea con agitación mecánica o magnética, iluminados con lámparas. Para la detoxificación fotocatalítica es especialmente importante el fotorreactor experimental piloto de la Plataforma Solar Almería, que ha sido descripto en detalle por Malato y Blanco.
6.1.1. Longitud de onda Las variaciones de la velocidad de reacción como función de la longitud de onda siguen el espectro de absorción del catalizador ( ilustración 5), con un umbral correspondiente a la energia del bandgap. Para con = 3,02 , es necesario = 400, es decir, longitudes de onda del cercano a ( − ). La letra griega "lambda" (λ) se utiliza para representar la longitud de onda en ecu aciones. La longitud
de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. Una longitud de onda larga corresponde a una frecuencia baja, mientras que una longitud de onda corta corresponde una frecuencia alta.
Ilustración 4 longitud de onda
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Ilustración 5 influencia de los dife rentes parámetros físicos que gobiernan la cinética de la fotocatálisis velocidad de reacción r; (A): masa del catalizador m; (B): longitud de onda λ; (C ): concentración inicial c del reactivo; (D): temperatura T; (E): flujo radiante F.
6.1.2. Temperatura A causa de la activación fotónica, no es necesario calentar los sistemas fotocatalíticos, ya que pueden funcionar a temperatura ambiente. La verdadera energía de activación Et, relativa a la verdadera constante de velocidad k (k = k0 exp (-EC/ RT)), es nula, mientras que la energía de activación aparente Ea a menudo es muy Figura 3. Figura 3 Influencia de los diferentes parámetros físicos que gobiernan la cinética de la fotocatálisis: velocidad de reacción r; (A): masa del catalizador m; (B): longitud de onda λ; (C): concentración inicial c del reactivo; (D): temperatura T; (E) : flujo
radiante F. Destrucción de contaminantes orgánicos por fotocatálisis heterogénea 158 pequeña (unos pocos kJ/mol) en el rango de temperaturas medias (20°C ≤ t ≤ 80°C). Esto significa que la temperatura
es un parámetro secundario. Sin embargo, a temperaturas muy bajas (- 40ºC ≤ t ≤ 0ºC), la actividad
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disminuye y la energía de activación Ea se vuelve positiva ( ilustración 6 ) y tiende al calor de adsorción de un producto final que se ha convertido en inhibidor. En contraste, a temperaturas «altas» (t ≥ 70-80ºC) para diversos tipos de reacciones fotocatalíticas, la actividad disminuye y la energía de
activación aparente se vuelve negativa ( ilustración 5). La adsorción exotérmica del reactivo A se ve desfavorecida y tiende a limitar la reacción. Como consecuencia, la temperatura óptima generalmente está comprendida entre 20 y 80 ºC. Esto explica por qué es necesario incorporar enfriadores en los dispositivos de energía solar que utilizan concentradores en lugar de colectores de luz. Esta ausencia de calentamiento es atractiva para las reacciones fotocatalíticas que se llevan a cabo en medios acuosos, y en particular para propósitos medioambientales (purificación fotocatalítica de agua). No hay necesidad de malgastar energía en calentar agua que posee una alta capacidad calorífica. Esto explica por qué la fotocatálisis es más económica que la incineración.
6.1.3. Flujo radiante Se ha demostrado, para todo tipo de reacciones fotocatalíticas, que la velocidad de reacción r es proporcional al flujo radiante Φ (ilustración 5). Esto confirma la naturaleza fotoinducida de la activación del proceso catalítico, con la participación de cargas eléctricas fotoinducidas (electrones y huecos) en el mecanismo de la reacción. Sin embargo, por encima de cierto valor, que se estimó alrededor de los 25 mW/cm2 en nuestros experimentos de laboratorio, la velocidad de reacción r se vuelve proporcional a Φ1/2, lo que indica que la velocidad de formación de pares electrón-hueco es
mayor que la velocidad fotocatalítica, lo que favorece la recombinación electrón-hueco. En cualquier dispositivo fotocatalítico, la utilización óptima de la energía de la luz corresponde al dominio dentro del cual r es proporcional a Φ.
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Ilustración 6 Vía de la degradación fotocatalítico del fenitrotion (las moléculas realmente detectadas están encerradas en un recuadro).
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7. CONCLUSIONES La remoción de contaminantes del agua parece ser la aplicación potencial más promisoria, ya que muchos contaminantes tóxicos del agua, tanto orgánica como inorgánica, se mineralizan por completo o se oxidan a su grado máximo, respectivamente, hasta producir compuestos finales inofensivos. Más allá de algunas desventajas (el uso de fotones UV y la necesidad de que las aguas tratadas sean transparentes en esta región del espectro; mineralización completa lenta en casos en los que hay átomos con grados de oxidación muy bajos; ingeniería fotocatalítico a desarrollar), la fotocatálisis heterogénea a temperatura ambiente ofrece ventajas interesantes:
estabilidad química del TiO2 en medios acuosos y en un amplio rango de pH.
es posible aplicar el sistema a concentraciones bajas.
eficiencia de la fotocatálisis con compuestos halogenados a veces muy tóxicos para las bacterias utilizadas en el tratamiento biológico del agua.
posible combinación con otros métodos de descontaminación (en particular, biológicos).
se logra la mineralización total de muchos contaminantes orgánicos.
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8. REFERENCIAS 8.1.Cibergrafia I lustración 1 tomado de: http://observatorio.medioambiente.gloobal.net/Sensibilizaciaguas/Contaminantes/ http://www.ekoeaso.com/fotocatalisis.htm
I lustración 4 tomado de: https://www.google.com.co/search?q=longitud+de+onda&espv=2&rlz=1C1RLNS_
Marco teórico tomado de: Fotocatálisis | La Guía de Química http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/fotocatalisis#ixzz46xZGOz2X
Problemática tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Cat%C3%A1lisis
8.1.1. Bibliografia Todo lo referente a la fotocatálisis tomado por: Destrucción de contaminantes orgánicos por fotocatálisis heterogénea J . M. H err mann