Estudio de la síntesis de un fotocatalizador de dióxido de titanio soportado sobre biocarbón a partir de cáscaras de cacahuete para la eliminación de azul de metileno en disoluciones acuosas y optimización del proceso

Abstract

[ES] La situación de partida que motiva este trabajo es la creciente necesidad de utilizar residuos industriales como materia prima para nuevos procesos, dada la urgencia por reemplazar la economía lineal por la circular. En este contexto, se pretende profundizar en la parte medio ambiental y sostenible de la ingeniería química. Concretamente, el presente trabajo se enmarca dentro de la reutilización de la cáscara de cacahuete para su transformación en carbón activo biológico (biochar) para incorporación posterior a un fotocatalizador de dióxido de titanio. Dicho fotocatalizador se utiliza para eliminar el colorante azul de metileno (MB) de efluentes industriales, ya que aunque no se trata de un tinte tóxico, su presencia prolongada puede ocasionar varios efectos nocivos en el ser humano. Este colorante es comúnmente utilizado en la industria en procesos de tinción de algodón, seda y madera, y dada su estructura aromática, se caracteriza por una degradación lenta y complicada, derivándose en acumulación y por tanto en fuente de contaminación. El objetivo de su eliminación es poder reutilizar el agua de dichos efluentes, contribuyendo así a la protección del medio ambiente.

En el presente trabajo se lleva a cabo la síntesis del fotocatalizador heterogéneo de dióxido de titanio soportado sobre el biocarbón obtenido a partir de cáscaras de cacahuetes (pretratado con ácido) (TiO2/pBC) utilizando el proceso sol-gel a 300ºC y en una atmósfera inerte. La morfología, el área superficial y la estructura del fotocatalizador TiO2/pBC se caracterizan utilizando las técnicas de microscopía de barrido electrónico (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) y difracción de rayos X (XRD). Los resultados prueban que el TiO2 es soportado en Biochar con éxito. Como aplicación, se utiliza el fotocatalizador TiO2/pBC sintetizado para degradar el colorante azul de metileno en disoluciones acuosas, midiendo la absorbancia de luz a una longitud de onda de 664 nm con un espectrofotómetro UV-vis. Se comprueba que 75%-TiO2Biochar muestra el mejor comportamiento y su fotodegradación sigue una cinética de segundo orden. Además, se estudia utilizando la metodología de superficies de respuesta (RSM) cómo influyen en el proceso de eliminación del azul de metileno las variables: concentración de tinte, cantidad de catalizador y efecto del pH, con el objetivo de determinar la combinación óptima de ellas para lograr el mayor porcentaje de eliminación de tinte. Los valores óptimos para la síntesis del catalizador con la mayor eficiencia de degradación (100%) para MB son: 7.89 (pH), 17 mg/25mL y 9.33 pm. Por tanto, los resultados verifican que el biochar mejora la actividad fotocatalítica del TiO2. Por último, se lleva a cabo un ensayo de reciclaje para entender la reutilización y estabilidad del catalizador. Los resultados indican que TiO2/pBC presenta una excelente capacidad de reutilización.

[EN] The starting situation that motivates this work is the growing need to use industrial waste as a raw material for new processes, given the urgency to replace the linear economy with the circular one. In this context, the intention is to deepen the environmental and sustainable part of chemical engineering. Specifically, this work is part of the reuse of peanut shells for transformation into biochar for later incorporation into a photocatalyst of titanium dioxide. Said photocatalyst is used to eliminate the blue dye of methylene (MB) of industrial effluents, since although it is not a toxic dye, its prolonged presence can cause several harmful effects in humans. This dye is commonly used in the industry in processes of cotton, silk and wood staining, and given its aromatic structure; it is characterized by a slow and complicated degradation, resulting in accumulation and therefore a source of contamination. The objective of its elimination is to be able to reuse the water of said effluents, thus contributing to the protection of the environment.

In the present work the synthesis of the heterogeneous photocatalyst of titanium dioxide supported on the biochar obtained from peanut shells (pretreated with acid) (TiO2 / pBC) using the sol-gel process at 300ºC and in an atmosphere is carried out inert. The morphology, surface area and structure of the TiO2 / pBC photocatalyst are characterized using the techniques of electron scanning microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) and X-ray diffraction (XRD). The results showed that TiO2 was supported on the biochar successfully. As an application, the photocatalyst TiO2 / pBC synthesized is used to degrade the methylene blue dye in aqueous solutions, measuring the absorbance of light at a wavelength of 664 nm with a UV-vis spectrophotometer. It was founded that 75% loaded TiO2 showed the best performance and its photodegradation followed the pseudo-second-order kinetics. Moreover, the variables that influence the methylene blue removal are studied using response surface methodology: dye concentration, amount of catalyst and pH effect, in order to determine the optimal combination of them to achieve the highest percentage of dye removal. The optimum values for synthesizing the photocatalyst with the highest degradation efficiency (100%) for MB were: 7.89 (pH), 17 mg/25 mL and 9.33 ppm. Thus, the results verified that biochar improved the photocatalytic activity of TiO2. Finally, a reclycling experiment was carried out to understand the reusability and stability of the photocatalyst. Results indicated that TiO2/pBC presented excellent recycle ability.