Degradación del colorante naranja II, utilizando ciclodextrinas soportadas en nanomateriales

Abstract

La contaminación del agua es una de las problemáticas de mayor importancia en nuestros días, las aguas residuales descargadas por la industria textil ejemplifican esta problemática debido a que se han reportado altas concentraciones de colorantes y otros compuestos orgánicos (aditivos, surfactantes, etc.) provenientes de este sector en ecosistemas acuáticos. Los colorantes en los cuerpos de agua se degradan lentamente generando subproductos de mayor toxicidad fácilmente bioacumulables, en consecuencia, el oxígeno disuelto es reducido y los ciclos biogeoquímicos son alterados, afectando a los organismos a diferentes niveles tróficos. Por otra parte, se han estudiado tecnologías para la remoción y degradación de colorantes, entre las que destacan los tratamientos electroquímicos, biológicos (lodos activados), fisicoquímicos (adsorción, coagulación/floculación) y los procesos de oxidación avanzada (POA) como la oxidación Fenton, la ozonación y la fotocatálisis. Sin embargo, la fotocatálisis solar ha sido de interés en los últimos años debido a la promoción de reacciones en el espectro visible capaces de favorecer la degradación de colorantes en tiempos relativamente cortos (60-180 min en promedio), de esta manera se evita la formación de subproductos de mayor toxicidad y, cuando se emplean los catalizadores adecuados, estos pueden recuperarse y ser aprovechados continuamente. En este trabajo, se desarrolló el método de síntesis para obtener un fotocatalizador con un centro paramagnético de magnetita (Fe₃O₄), cubierto con dióxido de titanio (TiO₂) y finalmente con una capa de β-ciclodextrina (β-CD). Cada componente fue evaluado por etapas, para determinar en qué etapa se obtenía una mejor degradación fotocatalítica del colorante naranja II proveniente de un efluente sintético, el cual fue expuesto a luz solar directa en un periodo máximo de 180 minutos. Los resultados obtenidos de la evaluación fotocatalítica a la Fe₃O₄ y los complejos Fe₃O₄/TiO₂ y Fe₃O₄/TiO₂-βCD indicaron que la Fe₃O₄ es el material que demostró degradar en mayor porcentaje al colorante azoico naranja II, bajo un proceso de exposición a la luz solar natural, además de mostrar una adecuada eficiencia de recuperabilidad y reúso. La Fe₃O₄ fue sintetizada mediante una técnica sencilla de precipitación, mostrando un tamaño de partícula de 100.617 ± 42.043 nm, una carga superficial de -12.133 ± 0.32 mV, una reflectancia del 48.218 ± 0.258% a 900 nm de longitud de onda y una energía de banda prohibida (Eg) de 2.95 eV. Los parámetros de pH, concentración de catalizador y tiempo de exposición donde ocurre la mayor degradación fueron encontrados, siendo éstos: pH 2, una concentración de 50 mg/L del complejo fotocatalítico, 180 μL de peróxido de hidrógeno (H2O2) y un tiempo de exposición a la luz solar de 60 minutos en el periodo primavera-verano (P-V) para obtener un porcentaje de degradación del 96.543 ± 0.504% y de 90 minutos de exposición a la luz solar en el periodo otoño-invierno (O-I) para obtener un porcentaje de degradación del 96.471 ± 0.070%. Los experimentos relacionados con el reúso de la Fe₃O₄ durante 5 ciclos indicaron que éste mantuvo una adecuada eficiencia, debido a que los porcentajes de degradación se mantuvieron por encima del 90% hasta por tres ciclos consecutivos. Sin embargo, para el cuarto y quinto ciclo los porcentajes de degradación obtenidos fueron menores, siendo estos del 86.925 ± 0.407% y 78.119 ± 1.770% respectivamente. Gracias a sus propiedades paramagnéticas, la fácil recuperación mediante el uso de un imán y los porcentajes de degradación obtenidos, la Fe₃O₄ sintetizado demuestra ser una alternativa para la restauración ambiental de aguas contaminadas este colorante textil en zonas con condiciones óptimas de radiación solar.

Water pollution is one of the most important problems in our days, the wastewater discharged by the textile industry exemplifies this problem because high concentrations of colorants and other organic compounds (additives, surfactants, etc.) have been reported from of this sector in aquatic ecosystems. The colorants in water bodies are slowly degraded, generating byproducts of greater toxicity that are easily bioaccumulative, consequently dissolved oxygen is reduced, and biogeochemical cycles are altered, affecting organisms at different trophic levels. On the other hand, technologies have been studied for the removal and degradations of dyes, among which electrochemical, biological (activated sludge), physicochemical (adsorption, coagulation/flocculation) treatments and advanced oxidation processes (POA) such as oxidation Fenton, ozonation and photocatalysis. However, solar photocatalysis has been of interest in recent years due to the promotion of reactions in the visible spectrum capable of favoring the degradation of dyes in relatively short times (60-180 min on average), thus avoiding the formation of more toxic by-products and, when the right catalysts are used, these can be recovered and used continuously. In this work, the synthesis method was developed to obtain a photocatalyst with a paramagnetic center of magnetite (Fe₃O₄), covered with titanium dioxide (TiO₂) and finally with a layer of β-cyclodextrin (β-CD). Each component was evaluated by stages, to determine in which stage a better photocatalytic degradation of the orange II dye was obtained from a synthetic effluent, which was exposed to direct sunlight for a maximum period of 180 minutes. The results obtained from the photocatalytic evaluation of Fe₃O₄ and the Fe₃O₄/TiO₂ and Fe₃O₄/TiO₂-βCD complexes indicated that Fe₃O₄ is the material that degrades in the highest percentage to the orange II azo dye, under a process of exposure to natural sunlight, in addition to showing adequate recoverability and reuse efficiency. Fe₃O₄ was synthesized by a simple precipitation technique, shows a particle size of 100.617 ± 42.043 nm, a surface charge of -12.133 ± 0.32 mV, a reflectance of 48.218 ± 0.258% at 900 nm wavelength and an bandgap energy (Eg) of 2.95 eV. The parameters of pH, catalyst concentration and exposure time where the greatest degradation occurs were found, these being: pH 2, a concentration of 50 mg/L of the photocatalytic complex, 180 μL of H₂O₂ and a time of exposure to sunlight of 60 minutes in the spring-summer (P-V) period to obtain a degradation percentage of 96.543 ± 0.504% and 90 minutes of exposure to sunlight in the autumn-winter (O-I) period to obtain a degradation percentage of 96.471 ± 0.070%. The experiments related to the reuse of Fe₃O₄ for 5 cycles indicated that it maintained adequate efficiency, since the degradation percentages remained above 90% for up to three consecutive cycles. However, for the fourth and fifth cycles, the percentages of degradation obtained were lower, these being 86.925 ± 0.407% and 78.119 ± 1.770%, respectively. Thanks to its paramagnetic properties, the easy recovery through the use of a magnet and the degradation percentages obtained, the synthesized Fe₃O₄ proves to be an alternative for the environmental restoration of contaminated water, this textile dye in areas with optimal solar radiation conditions.