Desarrollo de catalizadores basados en TiO2 para la eliminación de contaminantes de preocupación emergente de aguas mediante fotocatálisis solar

Uno de los problemas más importantes del mundo actual, por su gran impacto en el planeta Tierra, es la contaminación hídrica. Causada por contaminantes de origen natural, biológico o artificial, con el paso del tiempo ha ido creciendo en cantidad y complejidad. Entre otros, a la larga lista de contaminantes del agua, recientemente se han incorporado los contaminantes emergentes (CEs). Los CEs son compuestos de distinto origen y naturaleza química, cuya existencia en el ambiente y los daños que pueden ocasionar casi han pasado inadvertidos hasta ahora, bien por ser relativamente recientes, bien por no haberse podido detectar a las bajas concentraciones en que aparecen, principalmente debido a que hace unos años no existían técnicas adecuadas para su identificación a esos niveles. Sin embargo, su presencia en el medio acuático natural, incluso a concentraciones del orden de los ng/L, puede ser dañina para los seres vivos y el ambiente. Esto, unido a que las actuales plantas de tratamiento de aguas residuales no los eliminan, justifica la necesidad de desarrollar nuevos tratamientos que sí sean capaces de hacerlo con eficiencia, como la fotocatálisis heterogénea. Para la fotodegradación de los CEs y otros contaminantes orgánicos prioritarios, esta tecnología hace uso de un fotocatalizador y radiación, ya sea visible, ultravioleta o infrarroja. Hasta ahora, el TiO2 ha sido el fotocatalizador más ampliamente utilizado por muchas razones, pero no está exento de limitaciones que deben ser resueltas y que constituyen el objetivo primordial de este trabajo (Capítulo 1). En el Capítulo 2, se detallan los fundamentos del proceso de degradación de contaminantes mediante fotocatálisis heterogénea, así como las ventajas de utilizar como fotocatalizador TiO2 y otros materiales basados en TiO2. También se analizan las deficiencias del semiconductor y diferentes vías alternativas para superarlas. Concretamente, se pone de manifiesto que la hibridación del TiO2 con CNT dificulta su agregación y aumenta su capacidad de adsorción de contaminantes. Además, el CNT y el dopaje metálico con paladio y/o cobre pueden alterar la estructura y propiedades superficiales del semiconductor prístino, ampliando su espectro de absorción de radiación hacia el visible y mejorando la separación y transferencia de las cargas implicadas en la fotodegradación. Finalmente, en esta sección también se exponen las razones técnicas y ambientales por las que el soportado y el dopaje del TiO2 se realizan en medio supercrítico. La metodología y condiciones operativas utilizadas para la preparación de los catalizadores y en los experimentos de fotodegradación catalítica se detallan en el Capítulo 3. En él también se describen las diferentes técnicas analíticas y de caracterización aplicadas a los catalizadores para conocer las propiedades que pueden afectar al proceso de fotorreducción. Entre otras, las características analizadas fueron: fase cristalina, tamaño de cristal, superficie específica, absorbancia UV-vis, banda prohibida, composición química superficial, etc. Por tratarse de una tesis con formato de compendio de publicaciones, siguiendo las directrices básicas y comunes en los programas de doctorado de la UCLM para la presentación de la tesis doctoral en esta modalidad, en el Capítulo 4 se incluyen los tres artículos publicados en revistas científicas indexadas en Journal Citation Reports (JCR) en los que la doctoranda ocupa una posición destacada entre los autores. Obviamente, en los artículos se presentan y discuten los resultados de la caracterización de los fotocatalizadores desarrollados en cada caso, junto con los obtenidos en los procesos de fotodegradación de diferentes CEs: butilhidroxitolueno (BHT), pesticidas neonicotinoides y hormonas estrogénicas. Sin embargo, la discusión general de los resultados de la tesis se realiza en el capítulo 5. Como se esperaba, el soporte de las partículas de TiO2 sobre CNT y su dopaje mono- y bimetálico con cobre y paladio sirvieron para producir materiales fotocatalíticos con propiedades mejoradas: separación y transferencia de cargas más rápida, disminuyendo su recombinación; homogénea distribución de los cristales de TiO2 sobre el material carbonoso, lo que dificulta su aglomeración y el colapso de sitios fotoactivos; y reducción de la banda prohibida del híbrido con respecto al TiO2 (y consiguiente aumento de la absorbancia en el visible), lo que permite que fuentes lumínicas de menor energía puedan generar las cargas necesarias para la fotocatálisis. Con relación a los estudios de fotodegradación de CEs, los resultados obtenidos reflejaron que la fotocatálisis heterogénea es una alternativa muy competitiva para su eliminación. En este sentido, se debe resaltar que con los mejores fotocatalizadores se consiguió la completa degradación de los CEs investigados con independencia de que estuvieran disueltos en una matriz de agua destilada o en el efluente de una EDAR. Por último, en Capítulo 6 se exponen las conclusiones y en el Capítulo 7 se describen los planes y perspectivas futuras de la investigación realizada, tanto de los fotocatalizadores basados en TiO2 como sobre su aplicación en la eliminación de CEs de aguas mediante fotocatálisis heterogénea