Síntesis y caracterización de materiales basados en TiO<SUB>2</SUB> y g-C<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB> inmovilizado en carbón activado para la eliminación de contaminantes de origen farmacéutico

Abstract

En este trabajo, se determinaron inicialmente las condiciones óptimas para la síntesis de carbón activado mesoporosos (BC) usando cascaras de semilla de girasol (CSG) como precursor, siguiendo un diseño estadístico de experimentos de tipo factorial 22 de composición central - DCC. Se emplearon como agentes activantes H3PO4 y NaOH en concentraciones que van de 20 a 80% p/p y temperaturas en el rango 300-600 °C en atmosfera de nitrógeno. Se determinaron la capacidad de adsorción de un colorante tipo como el azul de metileno (MB), el cual es un método estándar para determinar las propiedades adsorbentes del carbón activado y los fármacos diclofenaco (DI) e ibuprofeno (IB), así como, las condiciones óptimas de los procesos de adsorción de dichos fármacos en matriz de agua simulada. El carbón activado con las mejores propiedades texturales (superficie especifica SBET, tamaño promedio de poro Dp y volumen de mesoporoso Vmeso), así como la mayor capacidad de adsorción de los compuestos de interés (DI e IB), fue seleccionado para estudiar la optimización del proceso de adsorción en muestras de agua natural subterránea. Fueron optimizados los parámetros (concentración inicial del fármaco, pH de la solución y dosis de carbón activado), se realizó el análisis termodinámico de la adsorción para cada uno de los fármacos y se estudió el efecto en la adsorción de los fármacos de la presencia de los iones (NO3-, SO4=, HCO3-) presentes de forma en el agua natural. El efecto de fotosensibilización del carbón activado, y las propiedades fotocatalíticas del nitruro de carbono grafitíco (g-C3N4) un semiconductor libre de metales y del TiO2 modificado con ácido tungstofosfórico (TiO2-TPA) fueron estudias en la degradación de los fármacos DI e IB. Particularmente, para el carbón activado fue evaluado no solo en sus propiedades de adsorción sino también en sus capacidades para fotosensibilizar la producción de formas reactivas de oxígeno (FRO) capaces de degradar tanto el IB como el DI bajo irradiación UV y visible. Por otra parte, los materiales de g-C3N4 y TiO2-TPA fueron estudiados tanto en la generación de FROs como en la degradación fotocatalítica de IB y DI bajo diferentes longitudes de onda. Las propiedades texturales y fisicoquímicas del carbón activado obtenido fueron estudiadas utilizando adsorción-desorción de N2, SEM-EDS, XPS, y espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) a 77 K. El material BC con la mayor superficie especifica y mesoporosidad (relación superficie asignada a mesoporos respecto a la superficie especifica) fue el utilizado como soporte de nanopartículas de TiO2 modificadas con 30% de ácido tungstofosfórico (TPA) para obtener materiales compuestos (TiO2-TPA:BC) con alta capacidad de adsorción y fotodescomposición de productos farmacéuticos y productos de cuidado personal (PPCPc) bajo irradiación visible. Se utilizaron dos procedimientos para la inmovilización de las nanopartículas de TiO2 (ultrasonido y sol-gel) para preparar este material híbrido, a diferentes relaciones (1:2, 1:1, 1:0,8, 1:0,7, 1:0,6 y 1:0,5) TiO2-TPA:BC. También, se modificado el BC con urea en una relación (1:4) como una alternativa de precursor de un semiconductor no metálico (g-C3N4), los experimentos de iluminación consistieron en el uso de una housing equipado con un alampara de xenón (luz monocromática) y filtros de corte en el rango UV y vis, además se usó un simulador solar para la evaluación de los materiales con mejor actividad fotocatalítica. La caracterización fisicoquímica del material híbrido obtenido incluye: isotermas de adsorción-desorción de N2, microscopía electrónica de barrido (SEM-EDX), difracción de rayos X y espectroscopia de reflectancia difusa UV-visible (UV-vis DRS). En resumen, en este trabajo fueron sintetizados, caracterizados y evaluados una variedad de materiales novedosos basados en óxidos metálicos semiconductores y semiconductores libres de metales soportados en materiales carbonosos de origen lignocelulósico para la remoción de contaminantes de origen farmacéuticos del agua mediante procesos de adsorción-fotodegradación. La optimización del proceso de síntesis de carbón activado permitió obtener un material con excelentes propiedades texturales superficie específica de 1530 m2 g-1, una variedad de grupos funcionales como C-OH (fenoles), C-O-C, C-O, C=O (quinonas), O-C=O y estructuras grafíticas de carbono. Estas características fisicoquímicas y texturales posibilitó diferentes mecanismos de adsorción (enlaces de H, interacciones electrostáticas e interacciones hidrofóbicas) tanto de moléculas de IB como de DI. Por otro lado, análisis de EPR a 77 K permitió poner en evidencia presencia de radicales libres ambientalmente persistentes (EPFRs). Los materiales híbridos TiO2-TPA:BC y g-C3N4 -BC presentaron un importante efecto en la foto degradación de los fármacos DI e IB, bajo irradiación solar simulada y en concentraciones cercanas a las presentes en fuentes hídricas. Los resultados suponen un avance importante en el desarrollo de materiales con aplicaciones tecnológicas que hagan uso de la luz solar natural para el control de la contaminación del agua por compuestos farmacéuticos.