Síntesis de los materiales WO3/TiO2/Zeolita para la degradación de naranja de metilo en agua mediante fotocatálisis heterogénea

Abstract

RESUMEN: La creciente contaminación de los sistemas de agua a partir de una amplia variedad de fuentes industriales, municipales y agrícolas, que se liberan deliberadamente en el medio ambiente, ha afectado gravemente la calidad y disponibilidad del agua. Aunque la naturaleza de los problemas de contaminación puede variar, generalmente se deben a pesticidas y colorantes orgánicos. Muchos de estos contaminantes químicos son capaces de pasar a través de plantas de tratamiento de aguas residuales sin alteraciones, al menos hasta cierto punto. Recientemente, las actividades de investigación se han centrado en los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) para la destrucción de contaminantes resistentes a los métodos convencionales. Como uno de los POA importantes, el proceso de oxidación fotocatalítica heterogénea es de especial interés. Se ha buscado mejorar la eficiencia fotocatalítica, la mineralización completa de compuestos orgánicos, la estabilidad y la reutilización de materiales semiconductores en el tratamiento real de aguas residuales. Así, el objetivo de este trabajo fue sintetizar compósitos semiconductor/zeolita para la evaluación de la fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de aguas residuales textiles, utilizando naranja de metilo (NM) como contaminante modelo. Los materiales preparados fueron WO3/TiO2 (10/90%), TiO2/Zeolita (30/70% y 60/40%), WO3/Zeolita (30/70%) y WO3/TiO2/Zeolita (30/70%). La zeolita Y se sintetizó por el método hidrotérmico, mientras que los compuestos semiconductores/zeolita se llevaron a cabo mediante una mezcla física simple con calcinación. La actividad fotocatalítica de los materiales se evaluó mediante la degradación del contaminante modelo, naranja de metilo, en medio acuoso en un reactor con agitación magnética, aireación (1 mL/min) y radiación constantes bajo una lámpara UV de 𝜆=365 nm. Además, se realizaron pruebas para determinar el efecto de pH y de apantallamiento. Se llevó a cabo la caracterización por Difracción de Rayos X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido con Espectroscopia de Rayos X dispersiva de energía (SEM-EDS), Fisisorción de Nitrógeno, Espectroscopia de Reflectancia Difusa (DRS), Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) y determinación de huecos en la superficie de los catalizadores. Los patrones de DRX mostraron que se mantuvieron las fases cristalinas del WO3, TiO2 y Zeolita Y después de su incorporación por el método físico. Mediante FTIR se observó que se mantienen las bandas características de cada uno de los materiales indicando que no hay una interacción química entre ellos. En las micrografías se observaron que el TiO2 y el WO3 se encontraban distribuidos, sin embargo, también se observaron agregados de zeolita. No se detectó un cambio significativo en las propiedades ópticas del material, no obstante, todos los materiales obtuvieron una energía de banda prohibida menor que la del TiO2 (3.04 eV). De acuerdo con el modelo BET, la zeolita Y pura tiene un área de superficie más grande, 500 m2/g, y los materiales compuestos van desde 336.9 m2/g a 52.14 m2/g. En la degradación de naranja de metilo bajo luz UV y pH natural de la solución (~10) los compuestos TiO2 y WO3/TiO2 fueron los mejores fotocatalizadores, degradando casi completamente la molécula de tinte, alcanzando el estado estable a 320 y 180 minutos, respectivamente. Los compuestos TiO2/Zeolita, WO3/Zeolita y WO3/TiO2/Zeolita mostraron una degradación de NM más baja que los catalizadores semiconductores, a pesar de tener mayores áreas superficiales, especialmente el compuesto TiO2/Zeolita que mostró una gran contribución de adsorción. ABSTRACT: The increasing contamination of water systems from a wide variety of industrial, municipal and agricultural sources, which are deliberately released into the environment, has severely affected the quality and availability of water. Although the nature of pollution problems may vary, they are usually due to pesticides and organic dyes. Many of these chemical pollutants are, of course, so far. The research activities focus on advanced oxidation processes (AOP) for the destruction of contaminants in current methods. As one of the important points, the process of heterogeneous photocatalytic oxidation is of special interest. It has sought to improve photocatalytic efficiency, complete mineralization of organic compounds, stability and reuse of semiconductor materials in the actual treatment of wastewater. Thus, the objective of this work was to synthesize semiconductor/zeolite composites for the evaluation of heterogeneous photocatalysis for the treatment of textile wastewater, using methyl orange (MO) as a model pollutant. The materials prepared were WO3/TiO2 (10/90%), TiO2/Zeolite (30/70% and 60/40%), WO3/Zeolite (30/70%) and WO3/TiO2/Zeolite (30/70%). The Y-Zeolite was synthesized by the hydrothermal method, while the semiconductor/zeolite compounds were carried out by a simple physical mixture with calcination. The photocatalytic activity of the materials was evaluated by the degradation of the model pollutant, methyl orange, in aqueous medium in a reactor with magnetic stirring, aeration (1 L/min) and constant radiation of a UV lamp of λ=365 nm. In addition, tests were carried out to determine the effect of pH and screening. The characterization was carried out by X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM-EDS), Nitrogen physisorption, Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS), Infrared Spectroscopy with Transformed Fourier (ISTF) and determination of holes in the surface of the catalysts. The XRD patterns showed that the crystalline phases of WO3, TiO2 and Y-Zeolite were maintained after their incorporation by the physical method. Using ISTF it was observed that the characteristic bands of each of the materials are maintained, indicating that there is no chemical interaction between them. In the micrographs it was observed that TiO2 and WO3 were distributed, however, aggregates of zeolite were also observed. No significant change in the optical properties of the material was detected, however, all the materials obtained a band gap less than that of TiO2 (3.04 eV). According to the BET model, pure Y-Zeolite has the largest surface area, 500 m2/g, and composite materials range from 336.9 m2/g to 52.14 m2/g. In the degradation of methyl orange under UV light and natural pH of the solution (~10) the compounds TiO2 and WO3/TiO2 were the best catalysts, almost completely degrading the dye molecule, reaching the stable state at 320 and 180 minutes, respectively. The compounds TiO2/Zeolite, WO3/Zeolite and WO3/TiO2/Zeolite showed a lower MO degradation than the semiconductor catalysts, despite having higher surface areas, especially the TiO2/Zeolite compound which showed a large adsorption contribution.