Material capaz de degradar contaminantes orgánicos del agua con el uso de luz

Materiales para degradar contaminantes 

orgánicos del agua 

con el uso de luz

Materiales capaces de degradar contaminantes orgánicos en el agua con el uso de luz

Israel Jiménez Hernández

Publicado: 24/03/2013   23:24

México, DF. En la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) se desarrollan materiales capaces de degradar, con el uso de luz, contaminantes orgánicos presentes en el agua.

      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.

      “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

Explicación del procedimiento

      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.”

      “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

      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

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.
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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. 
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx