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Cinética de degradación de colorantes utilizados en la
industria textil mediante la fotocatálisis solar
heterogénea
Degradation kinetics of dyes used in the textile industry by
heterogeneous solar photocatalysis
ABSTRACT
heterogeneous solar photocatalysis using zinc oxide in suspension
other technologies.
Keywords:
RESUMEN
Palabras clave:
ORCID ID: https://orcid.org/
Correspondencia: pbdiazb@unac.edu.pe
DOI: https://doi.org/
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Introducción
Los diversos tipos de colorantes que utiliza la industria
textil generan residuos líquidos con altas concentraciones
de contaminantes orgánicos e inorgánicos que resulta
complicada su remoción con los métodos convencionales
de tratamiento debido a su origen y las estructuras
complejas que estas presentan (Kandelbauer, 2005 y
Días et al., 2007). Los colorantes denominados directos
son del tipo azo que contienen grupos sinfónicos que
facilitan la solubilidad al agua y tiñen directamente el
tejido sin necesidad de ayuda posterior, sus moléculas
der Waals y por puentes de hidrogeno. En cambio, los
colorantes reactivos son aquellos capaces de reaccionar
químicamente con un sustrato para formar un enlace
covalente sustrato-colorante. En el caso de colorantes
tipo azo sus subproductos son metabolitos como aminas
aromáticas, algunas de las cuales son carcinógenas y
2010). Algunos de estos compuestos orgánicos podrían
ser absorbidos y utilizados por algunas plantas tales
como: el melón, el rábano y la papa. Asimismo, podrían
reducir la germinación de las semillas y el crecimiento
textil representa un reto tecnológico en los procesos de
tratamiento de estas aguas antes de ser descargadas
al ambiente receptor (mar, ríos, lagos, campo, etc.) o
reutilizadas.Esta problemática, motivó el uso de diversas
y no fotoquímicos, en función al empleo o no de
y Barrera, 2020). Dentro de los fotoquímicos destacan
2017), tratamientos combinados biológico fotocatalítico
En especial, la fotocatálisis heterogénea con dióxido
de titanio como catalizador es una de las aplicaciones
fotoquímicas que mayor interés ha despertado en la
se utilizan semiconductores para descontaminar aguas
con contenido de colorantes. El semiconductor, es un
elemento que se comporta como un conductor o como
un aislante dependiendo de diversos factores, como por
ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la
radiación que le incide, o la temperatura del ambiente
en el que se encuentre. Así, a temperaturas muy bajas
actúan como aislantes y a temperaturas muy altas o con
un aporte energético externo, actúan como conductores.
diferencia de energía entre su banda de valencia y la
energías se componen de una banda de valencia, una de
conducción y otra interpuesta entre las dos anteriores
los electrones salten desde la banda de valencia hasta
que se requiere para que un electrón salte de la banda de
es igual o superior al band gap, entonces el electrón habrá
pasado de la banda de valencia a la banda de conducción,
El puesto que deja el electrón liberado como consecuencia
de la energía recibida hv, se comporta como si fuera una
nueva partícula libre con una carga positiva y una masa
comparable a la del electrón. Esta pseudo partícula recibe
especies de alto poder oxidante capaces de reaccionar con
una gran variedad de compuestos orgánicos conduciendo
en último término a su completa mineralización (Bandala
et al., 2002). De los semiconductores utilizados, el de
naturaleza se encuentran tres polimorfos de este oxido:
rutilo, anatasa y brookita. Actúa como un semiconductor,
normalmente en su fase anatasa y rutilo que se utiliza en
ambiente por lo que se sugiere utilizar también
para procesos de fotocatálisis. Este semiconductor
tiene diversas propiedades favorables, como buena
transparencia, alta movilidad de electrones, amplio
rango de energía donde no existen estados electrónicos
(band gap), y fuerte luminiscencia a temperatura
décadas la fotocatálisis heterogénea usando óxido de zinc
prometedora para la degradación de contaminantes
utilizaron el óxido de zinc como catalizador y la luz solar
como fuente de radiación en la degradación fotoinducida
que este material es un excelente fotocatalizador y que
la degradación fotocatalitica es una técnica muy efectiva
para la remoción de colorantes en aguas provenientes de
la industria textil.
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El objetivo del presente trabajo fue determinar la
cinética de degradación de los colorantes directos y
reactivos utilizados en la industria textil aplicando la
fotocatálisis solar heterogénea usando como catalizador
el óxido de zinc en suspensión. El uso de la radiación
solar como fuente primaria de energía otorga un
ejemplo de tecnología limpia sostenible.
Método
en suspensión en un reactor de vidrio (matraz) tipo
batch de 250 ml de capacidad con agitador magnético
expuesto a radiación solar. Las pruebas experimentales
El experimento fue a nivel de laboratorio donde se
prepararon las muestras sintéticas con los colorantes
experimentales variando la concentración de los
colorantes, cantidad de fotocatalizador y el tiempo de
de observar la cinética de reacción.
fotocatalizador
como catalizador y se tuvo que adecuar el tamaño
de partícula a un diámetro uniforme, a través de un
caracterización y análisis mediante microscopia
fotocatalizador
matraces de vidrio transparente de 250 ml de capacidad,
por cada 100 ml de solución de colorante que fueron
expuestos luego a radiación solar.
Iniciada la reacción de fotodegradación del
colorante se tomaron muestras de 10 ml cada una en
intervalos de tiempo de 0, 5, 10, 15 y 20 minutos y fueron
llevadas a centrifugación en un ambiente oscuro por un
tiempo de 10 minutos (para retener la reacción) para su
de catalizador de la solución para su posterior análisis
espectrofotométrico.
fotocatalizador
concentración inicial del colorante rojo escarlata en 50
ppm en todos los casos. El procedimiento seguido fue
similar a lo descrito en el ítem 2.2.
La ecuación más sencilla que describe la cinética del
como también la constante de equilibrio de adsorción
mecanismo de reacción es:
colorante adsorbido. La segunda etapa de la reacción es
lenta y predomina sobre la velocidad de reacción. Luego,
la ecuación de velocidad es:
Dónde: -rA es la velocidad de reacción de moléculas
A, f_A es la fracción de sitios activos ocupados por la
molécula A. La primera etapa de la reacción se encuentra
en equilibrio termodinámico, por lo tanto, se cumple:
Donde K es la constante (de equilibrio) de adsorción
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del colorante, y f_v es la fracción de sitios activos vacíos.
Del balance de sitios activos: ƒ+ƒ+1)
es lineal y permite obtener los parámetros k y K de la
ecuación cinética.
los colorantes se obtiene usando,
Resultados
fotocatalizador
El análisis de tamaño de catalizador se realizó
empleadas para la medición del tamaño característico
Medición de tamaño de partículas en 2 regiones aleatorias de la muestra (imágenes a 6000X).
Nota: Laboratorio de Materiales (PUCP, 2017)
reacción de primer orden la ecuación (5) resulta,
ZnO
se requiere conocer la longitud de onda a la cual
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A la longitud de onda idónea de cada colorante se
partir de la recta absorbancia versus concentración. Las
Concentración y % de degradación del rojo escarlata en función del tiempo.
Tiempo
(min) Absorbancia Concentracion
(ppm) Ln (Co/C) Concentración
Inicial (ppm) %D
0 0 20 0
5
10
15
20 0,0121
0 0 0
5 0,2170
10 1,2270
15
20 2,2550
0 0 0
5
10 0,2215
15
20
0 0 50 0
5
10
15
20
respectivamente.
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Dispersión de concentración del rojo escarlata en función del tiempo de reacción.
Figura 3
Graca de Ln(Co/C) en función del tiempo del colorante rojo escarlata.
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Concentración y % de degradación del colorante azul corazol RD en función del tiempo.
Tiempo
(min) Absorbancia Concentracion
(ppm) Ln (Co/C) Concentración
Inicial (ppm) %D
0 20,5210 0 20 0
5
10
15
20
0 0 0
5
10 0,2202
15
20
0 1,2022 0 0
5 1,1755 0,0215
10
15 0,0711
20
0 0 50 0
5
10
15
20
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Figura 4
Dispersión de concentración del azul corazol RD en función del tiempo de reacción
Graca de Ln(Co/C) del azul corazol RD en función del tiempo de reacción.
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observa que la velocidad de reacción se hace alta cuando
la concentración del fotocatalizador es de 200 mg.
Tabla 3
Porcentaje de degradación del rojo escarlata en función del tiempo, utilizando 100, 200, 300, y 400 mg de catalizador para muestras con 50 ppm.
Tiempo
(min) Absorbancia Concentracion
(ppm) Ln (Co/C) Concentración
Inicial (ppm) %D
0 0 100 0
5 0,2101
10
15
20
0 0 200 0
5
10
15
20 11,2207
0 0 0
5 1,0112
10
15
20
0 0 0
5
10
15
20
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Dispersión de la concentración del rojo escarlata en función del tiempo usando 100, 200, 300 y 400
mg de catalizador en solución de 50 ppm.
Discusión
fotocatalizador
óxido de zinc utilizados en este experimento exhiben
forma variable y el tamaño promedio de partícula es de
en la solución que actúan cada una como un sitio activo
de degradación de la rodamina B con un tamaño de
partícula aproximadamente de 0,5 micras.
En la tabla 1 se muestra que la degradación del
colorante rojo escarlata aumenta a bajas concentraciones
muestra que la concentración del colorante disminuye
progresivamente desde una concentración inicial de
20 ppm hasta alcanzar un límite del equilibrio químico
aproximadamente a los 15 minutos. A concentraciones
colorante es más pronunciada, mientras que para 50
ppm el equilibrio se consigue a tiempo mayores de 20
en función del tiempo para distintas concentraciones
inicial del colorante aumenta, la velocidad de
degradación disminuye, y para que la velocidad de
reacción sea más alta, la concentración inicial optima
del colorante debe ser 20 ppm.
se muestran en la tabla 2, donde la degradación del
colorante aumenta a bajas concentraciones iniciales,
de reacción. A concentraciones iniciales mayores
degradación de la concentración de este colorante,
donde el equilibrio se logra por encima de 20 minutos y
a bajas concentraciones iniciales la velocidad de reacción
aumenta siendo la más alta a 20 ppm en consecuencia la
concentración inicial optima resulta también 20 ppm.
En conclusión, a bajas concentraciones iniciales o
en soluciones diluidas la degradación del colorante es
mayor que en soluciones más concentradas, siendo la
la velocidad de degradación del colorante directo rojo
químico se consigue aproximadamente a los 15 minutos
para una solución de concentración inicial de 20 ppm,
mientras que para concentraciones iniciales mayores se
consigue a tiempos superiores de 15 minutos.
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y usando los datos de las tablas 1 y 2 se obtuvieron
las isotermas para los colorantes en estudio a
estas satisfacen el modelo de la regresión lineal con
El presente estudio también presenta un ranking
medio inferior, se debe principalmente a las fortalezas
principalmente las vinculadas a un adecuado, integral
y articulado planeamiento, situación que contribuirá
a mejorar la gestión desde un buen punto de partida,
asimismo, se requiere de más estudios y análisis
transcurso de los años y las diferencias marcadas del
desempeño de las diferentes regiones, motivo por el
que recomendamos a las instancias correspondientes
de gestión que de acuerdo a competencia garanticen el
partan de un diagnóstico real de la situación, así como
el fortalecimiento de la autoridad sanitaria nacional,
regional y local para garantizar un mejor desempeño y
reducción del impacto de las emergencias y desastres en
salud.
Tabla 4
Parámetros cinéticos de la reacción foto catalítica de degradación de los
colorantes.
Parámetros cinéticos Valores
Rojo escarlata
1
)
)
t(12 promedio (min)
Parámetros cinéticos Valores
Azul corazol RD
1
)
0,00012
) 0,0272
t(12 promedio (min) 25,5000
Los valores obtenidos para el colorante directo
rojo escarlata son relativamente aproximado a los
degradación foto catalítica oxidativa de la rodamina B.
Los autores obtuvieron una cinética de pseudo primer
et al. (2005) estudiaron la cinética de degradación y
mineralización del colorante rojo amaranto por medio
de la fotocatálisis solar (colector solar) empleando el
sigue una cinética de pseudo primer orden, y que el
de colorante que son de naturaleza química distinta y
también por el tipo de proceso, ya sea en suspensión e
una técnica alternativa viable para la descontaminación
de aguas coloreadas provenientes de la industria
textil en épocas y lugares donde hay presencia de luz
Escudero (2015), también utilizaron la radiación solar en
sus trabajos de degradación de colorantes y llegaron a la
misma conclusión.
cinética es aproximadamente 05 veces mayor que la
del rojo escarlata, y el tiempo de vida media aumenta
indicarían que los colorantes reactivos ofrecen mayor
resistencia a la degradación respecto a los directos.
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Los resultados del efecto de la concentración del
donde se observa que a medida que incrementa la
cantidad de catalizador, la concentración del colorante
disminuye en el tiempo más rápidamente. La cantidad
catalizador donde todas las partículas estén iluminadas
y no existen exceso que haga efecto pantalla y cubra
cuanto mayor sea la cantidad del catalizador utilizada,
efecto de la turbidez ocasionada por la presencia de
la luz ultravioleta y disminuyendo el rendimiento de la
estudios el efecto de la concentración del catalizador.
catalizador por 100 ml de solución, encontraron que la
impiden el desplazamiento de fotones libre a través de la
solución. La diferencia, de la cantidad óptima obtenida
en este trabajo respecto al de los autores se debería al
tamaño del catalizador utilizado en el experimento que
corresponde a diámetros promedios mayores de 0,5
micras.
Conclusiones
Los resultados obtenidos muestran una degradación
al cabo de 20 minutos, ambas reacciones obedecen a
una cinética de pseudo primer orden, ajustándose muy
De este modo, queda demostrado que el óxido de zinc
es un excelente catalizador en el proceso foto catalítico
y que la energía solar es una fuente energética efectiva
y ecológica que puede ser utilizada para el tratamiento
en lugares con mayor radiación solar o en las grandes
ciudades en épocas de verano.
concentraciones iniciales de los colorantes aumentan,
o a altas concentraciones de catalizador, la velocidad de
degradación disminuye y que la concentración inicial
optima de los colorantes en estudio es de 20 ppm y la
concentración optima de catalizador de 200 ppm con lo
cual se consigue mayor degradación, a concentraciones
iniciales superiores de colorante o catalizador decaen
ligeramente.
Los resultados corresponden solo a los colorantes
utilizados en este experimento, no obstante, se
recomienda que la metodología y la tecnología de la
fotocatálisis solar heterogénea con óxido de zinc como
catalizador puede ser extensiva para la degradación de
textil.
El autor del artículo declara que no
con el mismo.
Agradecimiento
instalaciones de laboratorio e instrumentación para la
realización del presente trabajo de investigación.
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Referencias
proveniente de la fase de teñido de la curtiembre
oxidación avanzada con la ayuda del semiconductor
agua residual proveniente de la industria textil
la degradación de contaminantes orgánicos en
fase acuosa con catalizadores nanoestructurados
y decoloración de agua contaminada con
colorantes textiles mediante procesos de
cinético de la degradación foto catalítica
oxidativa de colorantes empleados en la industria
la industria textil. Universidad Autónoma del
Environmental applications of fungal and plant
systems: decolourisation of textile wastewater
por plaguicidas (sustancias prioritarias y
preferentes), con elevado potencial de lixiviación,
la industria textil por tratamiento biológico
de procesos de oxidación avanzada como
tratamiento de fenol en aguas residuales
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Kandelbauer, A. (2005). Biorremediation of the
for-the-decolorization-of-textile-dyes-a-
review
contaminadas con colorantes mediante
semiconductores como soportes de clústeres
para la destrucción de compuestos orgánicos
de investigación en procesos ambientales y
organized tio 2 nanotubes and other ordered
avanzada (fotocatalisis solar) para el
growth of some winter vegetable crops: a case
avanzada en el tratamiento de agua. Universidad
photocatalytic degradation of water and air
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con-biomasa-suspendida-anaerobioaerobio-de-
una-agua-real-textilera-con-colorante-azo
