Con luz natural buscan descontaminar aguas residuales

04 Sep 2014




Un grupo de investigación encabezado por María Aracely Hernández Ramírez en el Laboratorio de Fotocatálisis y Electroquímica Ambiental de la Facultad de Ciencias Químicas en la Universidad Autónoma de Nuevo León, trabaja en el desarrollo de procesos de descontaminación de aguas residuales mediante el uso de un catalizador que se activa con luz visible (las longitudes de onda que el ojo humano es capaz de percibir).

“Realizamos investigación con procesos avanzados de oxidación para la destrucción de contaminantes en medios acuosos, específicamente trabajamos en la aplicación de la fotocatálisis heterogénea, la cual consiste en la activación de un catalizador por efecto de la luz para llevar a cabo una serie de reacciones químicas en la superficie del sólido. De ahí el nombre de heterogénea, porque requiere de un catalizador que en este caso es un sólido el cual se coloca en el agua contaminada que se busca depurar y se activa con luz que puede ser incluso la solar”, explicó.

El efecto de la luz sobre el catalizador provoca la producción de “especies oxidantes” que destruyen a los contaminantes que se encuentran en el agua. El compuesto principal que se usa para realizar la fotocatálisis heterogénea es el dióxido de titanio, el catalizador más reconocido mundialmente, sin embargo, éste se activa principalmente con luz ultravioleta.

Por lo anterior, el grupo de Hernández Ramírez, integrante de la Academia Mexicana de Ciencias, ha trabajado desde 1999 en modificar al dióxido de titanio para que responda mejor con luz visible o, en su caso, preparar un catalizador que supere esta barrera de la luz ultravioleta, la cual está presente solo en un 5% en la luz solar natural.

“En principio, como todos, comenzamos haciendo experimentos a nivel laboratorio con volúmenes pequeños de agua. Hemos estado trabajando en modificar el catalizador de dióxido de titanio y otros catalizadores para que respondan mejor a la luz visible y no a la ultravioleta”, abundó.

Por el momento, señaló la investigadora, el catalizador más prometedor entre los estudiados es el dióxido de titanio modificado con óxido de tungsteno. Con pequeñas cantidades del segundo incorporado al dióxido de titanio se ha obtenido una mayor eficiencia con la luz solar, “lo probamos primero a escala pequeña y luego realizamos pruebas en una planta piloto que ya tenemos instalada en la terraza del laboratorio”.

La planta piloto usa un reactor conocido como Colector Parabólico Compuesto (CPC). Este aparato que se usa comercialmente en otros países, entre ellos España, capta la luz solar y la aprovecha muy bien, “nuestros catalizadores ya los hemos sometido a prueba en la planta piloto con volúmenes entre 20 a 25 litros de agua contaminada, y la eficiencia con la luz solar natural es mayor que con el dióxido de titanio sin modificar”.

También han preparado otros catalizadores modificados, pero el creado con óxido de tungsteno es más prometedor porque es muy estable, “hemos hecho pruebas y no se descompone con la luz solar y al reutilizarlo varias veces la actividad no se pierde”.

Otras pruebas que se han hecho al catalizador modificado han sido para revisar la toxicidad, la estabilidad y la cantidad de veces que se puede reusar, porque esto es parte del valor del producto.

Como ejemplo, María Aracely Hernández Ramírez destacó que el tipo de compuestos que se degradan con este método son herbicidas como el ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) o el malatión, “herbicidas muy usados en la región norte y a nivel nacional en México”.

Metodología


Los catalizadores arriba mencionados fueron sintetizados por el método sol-gel, un procedimiento de química suave que permite al dióxido de titanio la incorporación del óxido de tungsteno de manera nanométrica. El proceso sol-gel es una ruta química que permite fabricar materiales de forma relativamente sencilla. Se pueden obtener nuevos materiales que por los métodos tradicionales de fabricación son muy difíciles de obtener.

El proceso fotocatalítico es económico porque usa la luz solar como fuente de radiación. Por estas características, la investigadora señaló que este proceso avanzado de oxidación es eficiente si se incorpora en una planta tratadora de aguas residuales porque la fotocatálisis puede descomponer contaminantes muy recalcitrantes, complejos, desde compuestos muy tóxicos como herbicidas y fármacos hasta colorantes que no se pueden destruir en un proceso convencional.

La sugerencia de la especialista en química de materiales es integrar este proceso a las plantas tratadoras, pues con ello se garantizaría una mejor depuración de las aguas residuales. Destacó que esta metodología no está pensada para descontaminar o limpiar ríos y lagos, es para tratar aguas residuales en el lugar de descarga.

Estos estudios que realiza Hernández Ramírez con su grupo de trabajo forman parte de un proyecto financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) que tiene vigencia hasta 2016, fecha en la que esperan tener algún convenio con empresas para aplicar el proceso y se logre así la transferencia de tecnología.

De acuerdo con la científica, el catalizador modificado de dióxido de titanio es estable a cualquier pH (grado de acidez o alcalinidad del agua), no representa ningún riesgo de toxicidad para los humanos y se buscará que la tendencia en un futuro a corto plazo sea aplicar este método en las plantas tratadoras de las empresas para que las aguas residuales sean reutilizadas y así contribuir a mantener un mejor ambiente.


Ma. Aracely Hernández-Ramírez


Formación académica

Doctora en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México (2003).

Maestra en Ciencias con especialidad en Química en el  Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, México (1997).

Químico FarmacéuticoBiólogo  en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México (1979).

Posición actual 

Puesto:
Profesora Titular “A”, Investigadora,Responsable del Laboratorio de Fotocatálisis y Electroquímica Ambiental y Coordinadora del Posgrado en Química Analítica Ambiental de la FCQ, UANL.

Lineas de investigación 

Síntesis y caracterización de materiales cerámicos vía sol-gel, con aplicaciones en: incorporación de fármacos en matrices cerámicas, celdas electroquímicas, catálisis y Procesos Avanzados de Oxidación para tratamiento de aguas contaminadas (Fotocatálisis heterogénea, Fenton, foto-Fenton y electro-Fenton).

Publicaciones selectas

Ruíz E., Arias C., Brillas E., Hernández-Ramírez A., Peralta J. (2011). Mineralization of Acid Yellow 36 azo dye by electro-Fenton and solar photoelectro-Fenton processes with a boron-doped diamond anode.Chemosphere 82: 495-501.

Jiménez M., Ollera I., Maldonado M.I., Malato S., Hernández-Ramírez A., Zapata A., Peralta-Hernández J.M. (2011). Solar photo-Fenton degradation of herbicides partially dissolved in water.Catalysis Today 161: 214-220

Macías-Sánchez J., Hinojosa-Reyes L., Guzmán-Mar J.L., Peralta-Hernández J.M., Hernández-Ramírez A. (2011). Performance of the photo-Fenton process in the degradation of a model azo dye mixture. Photochemical and Photobiological Sciences 172: 332-337.

Salinas-Guzmán R.R., Guzmán-Mar J.L., Hinojosa-Reyes L., Peralta-Hernández J.M., Hernández-Ramírez A. (2010).Enhancement of cyanide photocatalytic degradation using sol-gel ZnO sensitized with cobalt phthalocyanine.Journal of Sol-Gel Science and Technology 54:1–7.

Ortega-Lara W., Cortés-Hernández D.A., Best S., Brooks R., Hernández-Ramírez A.(2010). Antibacterial properties, in vitrobioactivity and cell proliferation on titania-wollastonite composites.Ceramics International 36: 513-519.

Ramírez R.E., Torres-González L.C., Hernández-Ramírez A., García A. and Sánchez E.M. (2010). Conductivity and viscosity behavior of asymmetric phosphonium iodides.The Journal of Physical Chemistry B114 :4271-4275.Ç

Villanueva-Rodríguez M., Hernández-Ramírez A., Peralta-Hernández J.M., Bandala E.R., Quiroz-Alfaro M.A. (2009). Enhancing the electrochemical oxidation of acid-yellow 36 azo dye using boron doped diamond electrodes by addition of ferrous ion.Journal of Hazardous Materials, 167: 1226-1230.

Hernández-Ramírez A., Maya L., Sánchez E. (2007). Sol-Gel synthesis, characterization and photocatalyticactivity of mixed oxide ZnO–Fe2O3. Journal of Sol-gel Science and Technology 42: 71-78.

Direcciones de tesis 

En proceso y terminadas:
5 de licenciatura, 10 tesis de maestría y 4 de doctorado.

Proyectos de investigación (sólo como responsable)
  • Aplicación de nanocatalizadoresZnO/Fe˚ Y ZnO/Fe2O3 en la degradación fotocatalítica solar de herbicidas en medios Acuosos. PAICYT-UANL, 2011 - 2012.
  • Desarrollo de Sistemas Fotocatalíticos Asistidos Por Semiconductores Modificados Y Su Aplicación En La Degradación De Contaminantes,CONACyT, 2007 - 2010.
  • Acoplamiento de Sistemas Fotocatalíticos y su Aplicación en la Destrucción de Contaminantes con Luz Solar. PAICYT-UANL, 2009-2010.
  • Síntesis Sol-Gel de Semiconductores Modificados y su Aplicación En La Descomposición De Contaminantes. PAICYT-UANL, 2007 - 2008.
  • Asesoría a nivel licenciatura, CONACYT, 2008 - 2010.
  • Síntesis vía sol-gel, de materiales inorgánicos como sistemas portadores para liberación controlada de fármacos. PAICYT-UANL, 2006 - 2007.
  • Estudio de las reacciones de degradación de contaminantes usando óxidos semiconductores como fotocatalizadores. PAICYT-UANL, 2005 - 2006.
  • Degradación De Contaminantes Orgánicos En Medios Acuosos Usando Óxidos De Metales De Transición Como Fotocatalizadores. PAICYT-UANL, 2004 - 2006.
  • Síntesis de Óxidos de Metales de Transición Vía Sol-Gel y su Aplicación como Fotocatalizadores en la Remoción de Contaminantes en Medios Acuosos. PAICYT-UANL, 2004 - 2005.
  • Aplicación de Materiales Cerámicos en el Tratamiento de Aguas Residuales Industriales 1ra Parte. PAICYT-UANL, Agosto 2001 - 2002.
  • Aplicación de Materiales Cerámicos en el Tratamiento de Aguas Residuales Industriales 1ra Parte. PAICYT-UANL, Agosto 2000 - 2001.
Distinciones 
  • Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I (2002 a la fecha).
  • Profesor Visitante en: Universidad de las Islas Baleares, España; Escuela Central de Lyon, Francia; Universidad de Barcelona, España; Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa; Instituto de Física de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
  • Premio a la Investigación UANL (2003).
  • MiembrodelComité Editorial de: Journal of Environmental Engineering and Management.
  • Árbitrorevisor de lasrevistas: Journal of Sol-gel Science and TechnologyJCR; Journal of Crystal GrowthJCR; Journal of Catalysis TodayJCR;Materials LetterJCR;Journal of Water Environment Research.
  • Ganadora del Premio a la mejor tesis de maestría. Academia Mexicana de Química Inorgánica (1998).
  • Premio como asesor de la mejor tesis de Licenciatura de la UANL (2006).
  • Profesor con Perfil Deseable PROMEP, SEP (1998 a la fecha).
  • Evaluador Líder Certificado del COMAEF (Consejo Mexicano de Acreditación de la Educación Farmacéutica) (2005 a la fecha).
  • Evaluadora Acreditada del SINECYT del CONACYT.
  • Miembro del Comité Evaluador de “XIV Exposición y VII Concurso Nacional de Prototipos 2004 y 2006 por la Dirección General de Educación Tecnológica Industrial.
Fuente: Investigación y Desarrollo
Editado: Bio-Gea
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