Caracterización electroquímica de un electrodo cerámico con recubrimiento fotoactivo de fosfato de bismuto: aplicación a la degradación de un contaminante orgánico emergente

Abstract

[ES] En este Trabajo Fin de Máster se lleva a cabo la caracterización electroquímica de un electrodo cerámico con recubrimiento fotoactivo de fosfato de bismuto (BiPO4) y se estudia su aplicación en la foto-electroxidación de un contaminante orgánico emergente, el norfloxacino. El norfloxacino es un antibiótico de amplio espectro empleado en el tratamiento de las infecciones del tracto urinario. Este compuesto pertenece al grupo de los contaminantes emergentes presentes en aguas residuales, debido a su baja biodegradabilidad y elevada persistencia en el medio. La mayoría de los fotocatalizadores empleados en la degradación de contaminantes emergentes únicamente presentan actividad en el espectro UV. Además, se suelen depositar sobre soportes basados en materiales de elevado coste como el titanio. Por el contrario, el material fotoactivo sometido a estudio en el presente Trabajo Fin de Máster, el fosfato de bismuto se caracteriza por tener actividad fotocatalítica en el espectro visible de la luz solar. En el caso de estudio se empleará un soporte cerámico poroso basado en dióxido de estaño dopado con antimonio. Este tipo de soporte es sencillo de fabricar, más estable y económico que los soportes metálicos convencionales, hecho que favorece el escalado del proceso y su traslado a la industria. Inicialmente se realiza una caracterización electroquímica del electrodo empleando técnicas como la voltametría lineal, la cronoamperometría con pulsos de luz y la espectroscopía de impedancia electroquímica. Una vez caracterizado el electrodo, se procederá a evaluar su aplicación en la foto-electroxidación del norfloxacino. El proceso de la oxidación fotoelectroquímica se llevará a cabo a cuatro intensidades de trabajo, 0.2, 0.4, 0.6 y 0.8 A en ausencia y en presencia de luz. Se estudia el efecto de las variables de operación y la presencia/ausencia de luz sobre los porcentajes de degradación y mineralización, el consumo energético, los parámetros cinéticos del proceso y el mecanismo de degradación. Por último, en base a los resultados se seleccionan las condiciones óptimas de operación: valor de corriente y ausencia o presencia de luz. Tras la elaboración del Trabajo Fin de Máster se concluye que el recubrimiento proporciona mayores corrientes cuando se encuentra iluminado y menores valores de resistencia. En cuanto a oxidación fotoelectroquímica, se alcanzan mayores porcentajes de degradación y menores consumos energéticos en presencia de luz. Asimismo, en presencia de luz se genera un mayor número de especies de bajo peso molecular y una menor cantidad de oxidantes fruto de la oxidación del electrolito soporte

[EN] In the present work, the electrochemical characterization of a ceramic electrode with a photoactive coating of bismuth phosphate (BiPO4) is carried out. Once characterized, its application in the photoelectrochemical oxidation of norfloxacin will be evaluated. Norfloxacin is a broad-spectrum antibiotic used in the treatment of urinary tract infections. This compound belongs to the group of emerging pollutants in wastewater due to its low biodegradability and high persistence in the environment. Most photocatalysts used in the degradation of emerging pollutants only present activity in the UV spectrum. In addition, they are supported by high-cost materials such as titanium. The photoactive material under study in this thesis, bismuth phosphate, is characterized by having photocatalytic activity in the visible spectrum of sunlight. In this case of study, a porous ceramic support based on tin dioxide doped with antimony is used. This type of support is easier to manufacture, more stable, and cheaper than conventional metal supports, which favours the scaling of the process and its transfer to the industry. Initially, an electrochemical characterization of the electrode is performed. The techniques that are used are linear voltammetry, chronoamperometry with light pulses, and electrochemical impedance spectroscopy. The photo-electrooxidation experiments will be carried out at four intensities, 0.2, 0.4, 0.6, and 0.8 A in the absence and presence of light. The effect of the operation variables and the presence/absence of light on the percentages of degradation and mineralization, energy consumption, the kinetic parameters of the process and the mechanism of degradation will be studied. Finally, based on the results, the optimal operating conditions are selected: current value and absence or presence of light. After the elaboration of the Master's Thesis, it can be concluded that the coating provides higher currents once illuminated, as well as lower resistance values. Regarding the photoelectrochemical oxidation of norfloxacin, higher percentages of degradation and lower energy consumption are achieved in the presence of light. Additionally, in the presence of light, a more significant number of low molecular weight species and a lower number of oxidants resulting from the oxidation of the supporting electrolyte are generated.

[CAT] En el present treball es porta a terme la caracterització electroquímica d'un elèctrode ceràmic amb recobriment fotoactiu de fosfat de bismut (BiPO4) i s'estudiarà la seua aplicació a l’oxidació fotoelectroquímica d'un contaminant orgànic emergent, el norfloxacin. El norfloxacin és un antibiòtic d'ampli espectre emprat en el tractament de les infeccions del tracte urinari. Aquest compost pertany al grup dels contaminants emergents presents en aigües residuals, a causa de la seua baixa biodegradabilitat i elevada persistència en el medi. La majoria dels fotocatalitzadors emprats en la degradació de contaminants emergents únicament presenten activitat en l'espectre UV. A més, se solen dipositar sobre suports basats en materials d'elevat cost com el titani. Per contra, el material fotoactiu sotmès a estudi en el present Treball Fi de Màster, fosfat de bismut, es caracteritza per tenir activitat fotocatalítica en l'espectre visible de la llum solar. En el cas d'estudi s’empra un suport ceràmic porós basat en diòxid d'estany dopat amb antimoni. Aquest tipus de suport és senzill de fabricar, més estable i econòmic que els suports metàl·lics convencionals, fet que afavoreix l'escalat del procés i el seu trasllat a la indústria. Inicialment es porta a terme una caracterització electroquímica de l'elèctrode amb les tècniques de la voltametria lineal, la cronoamperometria amb polsos de llum i l’espectroscòpia d'impedància electroquímica. Una vegada caracteritzat l'elèctrode, es procedirà a avaluar la seua aplicació a l’oxidació fotoelectroquímica del norfloxacin. El procés es porta a terme a quatre intensitats de treball, 0.2, 0.4, 0.6 i 0.8 A en absència i en presència de llum. S’estudia l’efecte de les variables d'operació i la presència/absència de llum sobre els percentatges de degradació i mineralització, el consum energètic, els paràmetres cinètics del procés i el mecanisme de degradació. Finalment, sobre la base dels resultats s’escolliran les condicions òptimes d'operació: valor de corrent i absència o presència de llum. Després de l'elaboració del Treball Fi de Màster es conclou que el recobriment proporciona majors corrents quan es troba il·luminat i menors valors de resistència. Quant a l'oxidació fotoelectroquímica, s'aconsegueixen majors percentatges de degradació i menors consums energètics en presència de llum. Així mateix, en presència de llum es genera un major nombre d'espècies de baix pes molecular i una menor quantitat d'oxidants com a conseqüència de l'oxidació de l'electròlit suport.