Aplicación de los hidróxidos dobles laminares como fotocatalizadores en la eliminación de gases nox

Resumen

1. introducción o motivación de la tesis La contaminación atmosférica es uno de los grandes problemas que afecta a la salud de la población mundial especialmente en grandes y medianas ciudades, esto es debido a la mayor concentración de la población y a la industrialización persistente en estas zonas que provocan mayor emisión de contaminantes a la atmósfera. Casi todas las ciudades se enfrentan a serios problemas de contaminación atmosférica, producto de las emisiones de sus industrias y de sus sistemas de transporte, y además esta contaminación se extiende cada vez más a diferentes zonas rurales en las que antes no se observaban estos problemas. Los gases de Óxidos de Nitrógeno (NO +NO2; gases NOx) junto con los compuestos orgánicos volátiles son las principales emisiones originadas por los diferentes medios de transporte. Los óxidos de nitrógenos presentan una elevada toxicidad en comparación a otros contaminantes y la respiración continuada de aire contaminado por ellos afecta directamente al sistema respiratorio, sobre todo a los pulmones, generando diversas afecciones como son enfisemas, bronquitis y hasta la muerte. Todas las ciudades del mundo y sobre todo aquellas con elevada población están expuestas a altos índices de contaminación con NOx, que además de causar severos daños de la salud, son responsables de grandes problemas medioambientales como son el “smog” fotoquímico, la lluvia acida, el ozono troposférico, la disminución de la capa de ozono y la contribución al calentamiento global. Gracias al arduo trabajo de investigación, innovación y desarrollo de la industria química se ha logrado proponer nuevos materiales que aporten soluciones a la contaminación atmosférica, como la utilización de fotocatalizadores como una nueva tecnología de remediación in-situ en el ambiente urbano. Estos materiales son fáciles de implementar y con resultados prometedores. Sin embargo, como tecnología emergente al ser de reciente implementación, presentan ciertas desventajas que limitan su uso y no se logra la amplitud que se desea. Con esta visión general, este trabajo de investigación aborda la síntesis y caracterización de hidróxidos dobles laminares (HDL) también conocidos como compuestos tipo hidrotalcita (HT) para ser estudiados como nuevos materiales fotocatalizadores para la descomposición de gases NOx, al objeto de aportar un avance en el conocimiento de los mismos y promover su futura implementación comercial como descontaminantes atmosféricos en zonas urbanas y rurales. 2. contenido de la investigación La presente memoria de tesis consta en primer lugar de un capítulo de introducción, el cual consiste en una cuidadosa y actualizada revisión bibliográfica acerca de la contaminación atmosférica, en especial la producidas por los óxidos de nitrógeno, como estos se producen y el daño que provoca en la salud de la población, ecosistema y estructuras urbanas, posteriormente se plantean los objetivos y la hipótesis abordados en la investigación. El primer sistema fotocatalizador para la destrucción de gases NOx (acción DeNOx) que se estudió en esta memoria, fue el de HDL con cationes Zn2+ y Al3+ como iones laminares y anión carbonato como anión interlaminar (sistema HDL ZnAl-CO3), variando la relación Zn2+/Al3+. Estas muestras se sintetizaron por el método de coprecipitación a concentración de los metales más altas (HC) y otras más diluidas (LC) con el fin de optimización las condiciones para obtener fases HDL puras. Todos los fotocatalizadores sintetizados se caracterizaron mediante DRX, FT-IR, ICP, TG, BET, SEM, RD. Se llevó acabo el estudio el estudio de la actividad fotocatalítica de las muestras HDL sintetizadas para disminuir la concentración de los gases NO. Asumimos que la eliminación fotocatalítica de estos gases ocurre mediante la oxidación completa a la especie nitrato. La disminución de las concentraciones de gases NO medidos en condiciones de irradiación de los rayos UV está relacionada con la cantidad de gases NO eliminados. Se observó una clara dependencia entre la eficiencia fotocatalitica y los valores del área superficial de las muestras, la eficiencia fotocatalitica aumento con el aumento del área superficial, siendo alrededor del 55% en las muestras LC, las cuales presentaron un área superficial de casi el doble que las muestras HC, cuya eficiencia de eliminación de gases NO fue un 33%. Las muestras LC no solo muestran los valores más altos de conversión de gases NO sino también las emisiones más bajas de gases NO2, alcanzando un valor de eliminación de gases NOx del 50%. La selectividad que presenta este sistema es sorprendentemente alta con unos valores de alrededor de 90%, siendo mayor que al obtenido en productos de referencia (TiO2 y P25). La segunda parte de esta memoria trata de obtención de un fotocatalizador tipo HDL con mejor aprovechamiento del rango visible de la luz solar, ya que uno de los principales problemas que presentan los fotocatalizadores en el proceso de oxidación fotocatalitica de gases NO es su reducida capacidad de aprovechamiento de la radiación de luz visible. Con ese fin se preparó y estudio el rendimiento deNOx el sistema HDL ZnAl-CO3 donde el cation Al3+ se fue remplazando paulatinamente por Cr3+. Todas las muestras se prepararon por el método de coprecipitación con disoluciones de diferentes estequiometrias de metales divalente y trivalente a un pH constante para alcanzar las relaciones propuestas. Las muestras sintetizadas se caracterizaron por DRX DRX, FT-IR, ICP, TG, BET,SEM, RD. La presencia de Cr3+ en el compuesto HDL aumento la reducción de gases NO entre un 8 a un 16% a medida aumentaba la concentración de este elemento en las láminas hasta alcanzar la completa sustitución del Al3+ en la estructura. Así mismo la presencia de ion Cr3+ en las muestras HDL es altamente relevante para la actividad fotoquímica en presencia de la luz visible. 3. conclusión La fácil y económica preparación de los Fotocatalizadores HDL ZnAl-CO3 y HDL ZnAlCr-CO3, así como los resultados prometedores del proceso de-NOx de estos, abren nuevas e interesantes perspectivas para sus usos potenciales en la remediación del aire urbano. 4. bibliografía Rodriguez-Rivas, F.; Sánchez, L.; Barriga, C.; Pastor, A.; Pavlovic, I.; Cruz-Yusta, M. Chem. Eng. J. 2018, 346 (April), 151–158 Pavlovic, I.; Barriga, C.; Hermosín, M. C.; Cornejo, J.; Ulibarri, M. A. Appl. Clay Sci. 2005, 30 (2), 125–133 Balbuena, J.; Cruz-Yusta, M.; Sánchez, L. J. Nanosci. Nanotechnol. 2015, 15 (9), 6373–6385. 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