Materiales capaces de degradar contaminantes orgánicos en el agua con el uso de luz
Israel Jiménez Hernández
Publicado: 24/03/2013 23:24
Se utilizan
películas delgadas de materiales semiconductores, mezclados con impurezas de
otros elementos químicos, para absorber luz visible, y así aprovechar la luz solar. “Esas películas miden del orden de cientos
de nanómetros y hasta una micra, y se depositan sobre un sustratoaa, en este
caso, láminas de vidrio.”b
Método
El
procedimiento es introducir un vidrio común con una capa del material fotocatalíticoc semiconductor en un recipiente con líquido contaminado por un colorante, se
expone a la luz y después la concentración disminuye, se hace más claro hasta
volverse transparente y degradarse completamente.
Para
la científica, del Instituto de Materiales (IIM) de la UNAM, Monserrat Bizarro
Sordo que desarrolla junto con su equipo de trabajo estos materiales “hay que
tratar el agua y aprovecharla en un segundo uso”d debido a la contaminación
acuática.
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“Muchos de los residuos de la industria
textil o del papel, por ejemplo, producen en sus procesos enormes volúmenes de
aguas residuales y contaminantes orgánicos, como los colorantes. Se trata de
moléculas complejas, grandes, que pueden ser tóxicas; además, aún en bajas
concentraciones manchan gran cantidad de agua. Los ecosistemas donde se vierten
-ríos, lagos o mares- se alteran porque la luz solar no puede penetrar; además,
no son biodegradables.”e
“Con
la investigación se espera obtener un material con alta actividad
fotocatalítica, capaz de absorber luz visible, que sea estable después de
varios reusos, con buena adherencia al sustrato.”f
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Explicación del procedimiento
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Entonces “desarrollamos materiales capaces de degradar este tipo de compuestos con el uso de luz. […] Se trata de películas delgadas de materiales semiconductores con actividad fotocatalítica (como el óxido de zinc, de titanio u otros óxidos metálicos) que, por lo general, absorben luz ultravioleta.”g
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Además, hacer pruebas en un reactor solar
de mayores dimensiones, del que ya se tiene un prototipo. De esa forma,
“aportaremos un granito de arena al mejoramiento ambiental y a la investigación
científica”, finalizó.n
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Explicación del procedimiento
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Entonces “desarrollamos materiales capaces de degradar este tipo de compuestos con el uso de luz. […] Se trata de películas delgadas de materiales semiconductores con actividad fotocatalítica (como el óxido de zinc, de titanio u otros óxidos metálicos) que, por lo general, absorben luz ultravioleta.”g
Se estudian la estructura y las propiedades
de los materiales para modificarlos mediante la introducción de impurezas “de
otros elementos químicos, para que puedan absorber luz visible y, de esta
manera, aprovechar la que emite el Sol, energía gratuita, limpia y
prácticamente permanente.”
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“A diferencia de los fotocatalizadores en
polvo –utilizados por ser más eficientes en tiempo, pero difíciles de remover
una vez concluida la degradación del contaminante–, las películas tienen la
ventaja de que una vez que se hace el tratamiento del líquido, se pueden
retirar fácilmente.”h
“Tratamos de mejorar las velocidades de
reacción con la modificación de las superficies de las mismas películas, que
hacemos nanoestructuradas, porosas o rugosas, para generar mayor superficie de
contacto y aumentar el número de reacciones”.
“Se usa óxido de zinc porque es un
semiconductor abundante, económico y con un “brecha de energía prohibida”
grande, de 3.2 electrón volts.”i
“En un material, los electrones en su
estado base “normal” están en una banda de valencia, pero existe otra, de
conducción. Un semiconductor requiere un estímulo para que conduzca la
corriente eléctrica, que debe ser suficientemente grande para romper la barrera
o el espacio vacío que hay entre ambas bandas. Dicha energía es proporcionada
por la luz.”
“Necesitamos la cantidad suficiente para
que un electrón de la banda de valencia pase a la de conducción, y se puedan
generar reacciones de oxidación y reducción en el momento que el material esté
en contacto con el agua contaminada”.j
“Los óxidos se depositan en el sustrato
(lámina de vidrio) mediante la técnica denominada de rocío pirolítico; con ello
es sencillo “dopar”
al material, es decir, colocar en la misma solución sales precursoras o
“impurezas” de algún otro elemento.”
Al cambiar un átomo por otro de distinto
elemento, “lo que hacemos es modificar su estructura de bandas electrónicas, y
en algunos casos, logramos reducir la brecha de energía; de ese modo podemos
conseguir que se absorba luz visible”. En otras palabras, las impurezas
facilitan el camino de un electrón de la banda de valencia a la de conducción.k
“Ese dopaje puede ocurrir con otros metales, como
aluminio o plata, en el caso del zinc y flúor, nitrógeno o aluminio en el óxido
de titanio, y aunque la estructura cristalina se mantenga, la electrónica sí se
modifica.”l
“La universitaria ha descubierto que las
películas de óxido de zinc impurificadas con aluminio producen buenos
resultados, son tres veces más eficientes que el óxido puro. Sin embargo, al
reutilizarse disminuye esa propiedad; “se pierde eficiencia, por lo que
tratamos de mantener esa efectividad, dopándola con un segundo elemento: la plata”. Así
se mantienen las propiedades, porque este elemento ayuda a la absorción de
fotones y a la separación de carga.”ll
Tecnología
de bajo coste
“El óxido de zinc es más económico que el
de titanio, y la técnica de rocío pirolítico es sencilla, de bajo costo, no
requiere sistemas de vacío ni reactivos de ultra alta pureza. Esa es otra
ventaja de este procedimiento que podría escalarse a nivel industrial.”m
a - Sustrato:
1. nombre masculino (m). Estrato que
subyace a otro y sobre el cual puede influir.
2. m. Biología. Lugar que sirve de asiento
a una planta o un animal fijo.
3. m. Bioquímica. Sustancia sobre la que
actúa una enzima.
4. m. Filosofía. sustancia (ser, esencia o
naturaleza de algo).
5. m. Filosofía. sustancia (realidad que
existe por sí misma).
6. m. Fotografía. Baño aplicado al soporte
para permitir la adherencia entre la capa sensible a la luz y el vidrio o las
materias plásticas.
7. m. Geología. Terreno situado debajo del
que se considera. El sustrato de un manto.
8. m. Lingüística. Lengua extinguida por la
implantación de otra en la misma área geográfica, sobre la que ejerce, sin
embargo, alguna influencia.
9. m. Lingüística. Influencia que ejerce
una lengua extinguida sobre otra que, sin embargo, se ha impuesto.
Fuente: Diccionario de la lengua española. http://lema.rae.es/drae/?val=sustrato Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
b - http://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2013_184.html Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.c - Catálisis.
(Del gr. κατάλυσις, disolución,
acabamiento).
1. (nombre femenino). Química. Transformación química
motivada por sustancias que no se alteran en el curso de la reacción.
Diccionario de la lengua española. http://lema.rae.es/drae/?val=cat%C3%A1lisis Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
La fotocatálisis es una reacción
fotoquímica que involucra la absorción de luz ultravioleta y un catalizador
como material semiconductor. Durante este proceso se presentan reacciones de
oxidación y reducción. Para llevar a cabo la fotocatálisis es necesaria la
activación del catalizador (TiO2) mediante radiación ultravioleta a unas
longitudes de onda (λ) adecuadas. De esta forma, por cada fotón con una energía
determinada que incide sobre el material semiconductor, se promueve un electrón
de la banda de valencia a la banda de conducción.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Procesos_de_oxidaci%C3%B3n_avanzada Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
d - e http://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2013_184.html Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
f - n http://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2013_184.html Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
Fuentes de las imágenes:
(Por orden de aparición)
1.- wiki commons Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
2.- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eau-Figaro-1878-01-30-cabellos-te%C3%B1idos.jpg Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
3.- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reflejos_verdes.jpg Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
4.- Mecanismo indirecto de la Fotocatálisis Heterogénea http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mecanismo_Fotocatalictico.jpg Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
5.- http://www.ott.csic.es/rdcsic/rdcsicesp/rdqu31esp.htm Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
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Nanociencia y Nanotecnologia en la UNAM
Fuente: http://www.youtube.com/watch?v=V_o-BU0vdRk Usuario: DGDCUNAM hace 5 años. Fecha de consulta: 24 de marzo 2013.
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