Síntesis y caracterización de nuevos fotocatalizadores heterogéneos para degradación de contaminantes y/o desinfección en medio acuoso

Abstract

[ES] En los últimos años, la detección de un número creciente de contaminantes xenobióticos en los sistemas acuáticos ha traído como consecuencia efectos nocivos en los ecosistemas, así como en la salud humana. Los procesos de oxidación avanzada como la fotocatálisis heterogénea están recibiendo una gran atención debido a su eficiencia, bajo costo, fácil recuperación de los catalizadores. En este contexto, el objetivo de esta tesis fue sintetizar nuevos fotocatalizadores sólidos basados en la heterogeneización del Rosa de Bengala (RB) con el propósito de obtener materiales con propiedades fotocatalíticas mejoradas respecto a las del colorante orgánico en medio homogéneo, lo cual, además permitía poder recuperar y reutilizar con facilidad el fotocatalizador. Para ello, el RB como sustancia fotoactiva se unió mediante diferentes procesos sintéticos a varios soportes sólidos. Los nuevos materiales fotocatalíticos, se caracterizaron y estudiaron sus propiedades fotocatalíticas de cada material en procesos de descontaminación y/o desinfección, así como las propiedades fotofísicas y fotoquímicas que presentaba el colorante asociado a cada uno los diferentes materiales. Para los estudios de fotodescontaminacion se usaron compuestos tóxicos y persistentes en el agua como el diclofenaco y el acetaminofeno, así como el ofloxacino. La capacidad fotocatalítica de los materiales para desinfección de aguas se evaluó usando cepas bacterianas Gram positivas y negativas. En cuanto a los estudios fotofísicos y fotoquímicos se realizaron estudiando la reactividad del estado excitado singlete y triplete del RB en estos catalizadores frente a los contaminantes y al oxígeno molecular. A continuación, se resumen los Capítulos que conforman esta tesis doctoral: En el Capítulo I de esta tesis, se sintetizaron dos nuevos fotocatalizadores heterogéneos nanoestructurados de sílice con y sin núcleo de magnetita que incorporan covalentemente RB en su superficie. Ambos mostraron ser capaces de producir la fotodegradación de fármacos, bajo irradiación con luz visible. Adicionalmente, estos fotocatalizadores también mostraron tener una gran eficacia en la fotoinactivación de bacterias Gram positivas. El efecto que se observó en estos materiales por la presencia del núcleo de magnetita fue principalmente físico ya que ayudaba a su recuperación mediante campos magnéticos y producía un aumento de la concentración de RB en la superficie. En el Capítulo II, se sintetizaron dos fotocatalizadores heterogéneos con RB unido covalentemente a la superficie de micropartículas de sílice con y sin núcleo de magnetita. Las micropartículas de sílice con RB demostraron una gran eficiencia en la eliminación de DCF en medio acuoso bajo irradiación de luz visible. En el Capítulo III, se determinó la influencia del porcentaje de RB al 0.5, 1 y 3% soportado sobre tejidos de poliamida, para la inactivación de bacterias Gram positivas. Así se vio que el tejido teñido al 1% de RB tenía la capacidad de fotoinactivación bacteriana más alta, siendo esta de 6 log10 unidades de reducción en ufc/mL bajo luz visible en 15 min. Con ello se vio que la cantidad de RB sobre los tejidos de poliamida tiene una gran importancia. Así, una cantidad menor de RB en el tejido no era capaz de generar suficiente oxígeno singlete, mientras que en una cantidad mayor al 1% debe generar una agregación del fotosensibilizador. Finalmente, en el Capítulo IV se sintetizó un fotocatalizador de lana de vidrio con RB en su superficie para evaluar su capacidad de fotoinactivación de bacterias Gram positivas y negativas. Para ello, primero se caracterizó el material y se evaluaron las propiedades fotofísicas por espectroscopía de fluorescencia y experimentos de fotólisis de destello láser. Posteriormente, se evaluó la fotoinactivación de bacterias Gram negativas y positivas a una concentración inicial de 106 ufc/mL, pero solo se observó, una significativa inactivación sobre las bacterias Gram positivas.

[CA] En els últims anys, la detecció d'un nombre creixent de contaminants xenobiòtics en els sistemes aquàtics ha portat com a conseqüència efectes nocius en els ecosistemes, així com en la salut humana. Els processos d'oxidació avançada com la fotocatálisis heterogènia estan rebent una gran atenció a causa de la seua eficiència, sota cost, fàcil recuperació dels catalitzadors. En este context, l'objectiu d'esta tesi va ser sintetitzar nous fotocatalizadores sòlids basats en la heterogeneización del Rosa de Bengala (RB) amb el propòsit d'obtindre materials amb propietats fotocatalíticas millorades respecte a les del colorant orgànic al mig homogeni, la qual cosa, a més permetia poder recuperar i reutilitzar amb facilitat el fotocatalizador. Per a això, el RB com a substància fotoactiva es va unir mitjançant diferents processos sintètics a diversos suports sòlids. Els nous materials fotocatalíticos, es van caracteritzar i van estudiar les seues propietats fotocatalíticas de cada material en processos de descontaminació i/o desinfecció, així com les propietats fotofísicas i fotoquímiques que presentava el colorant associat a cadascun els diferents materials. Per als estudis de fotodescontaminacion es van usar compostos tòxics i persistents en l'aigua com el diclofenaco i el acetaminofeno, així com l'ofloxacina. La capacitat fotocatalítica dels materials per a desinfecció d'aigües es va avaluar usant ceps bacterians Grampositives i negatives. Quant als estudis fotofísicos i fotoquímics es van realitzar estudiant la reactivitat de l'estat excitat singlete i triplet del RB en estos catalitzadors enfront dels contaminants i a l'oxigen molecular. A continuació, es resumeixen els Capítols que conformen esta tesi doctoral: En el Capítol I d'esta tesi, es van sintetitzar dos nous fotocatalizadores heterogenis nanoestructurados de sílice amb i sense nucli de magnetita que incorporen covalentemente RB en la seua superfície. Tots dos van mostrar ser capaços de produir la fotodegradación de fàrmacs, sota irradiació amb llum visible. Addicionalment, estos fotocatalizadores també van mostrar tindre una gran eficàcia en la fotoinactivación de bacteris Grampositives. L'efecte que es va observar en estos materials per la presència del nucli de magnetita va ser principalment físic ja que ajudava a la seua recuperació mitjançant camps magnètics i produïa un augment de la concentració de RB en la superfície. En el Capítol II, es van sintetitzar dos fotocatalizadores heterogenis amb RB unit covalentemente a la superfície de micropartícules de sílice amb i sense nucli de magnetita. Les micropartícules de sílice amb RB van demostrar una gran eficiència en l'eliminació de DCF al mig aquós sota irradiació de llum visible. En el Capítol III, es va determinar la influència del percentatge de RB al 0.5,1i3% suportat sobre teixits de poliamida, per a la inactivació de bacteris Gram positives. Així es va veure que el teixit tenyit a l'1% de RB tenia la capacitat de fotoinactivación bacteriana més alta, sent esta de 6log10unitats de reducció en ufc/ml sota llum visible en 15min. Amb això es va veure que la quantitat de RB sobre els teixits de poliamida té una gran importància. Així, una quantitat menor de RB en el teixit no era capaç de generar suficient oxigen singlete, mentre que en una quantitat major a l'1% ha de generar una agregació del fotosensibilizador. Finalment, en el Capítol IV es va sintetitzar un fotocatalizador de llana de vidre amb RB en la seua superfície per a avaluar la seua capacitat de fotoinactivación de bacteris Grampositives i negatives. Per a això, primer es va caracteritzar el material i es van avaluar les propietats fotofísicas per espectroscopía de fluorescència i experiments de fotólisis de centelleig làser. Posteriorment, es va avaluar la fotoinactivación de bacteris Gram negatives i positives a una concentració inicial de 106ufc/ml, però només es va observar, una significativa inactivació sobre els bacteris Gram positives.

[EN] In recent years, the detection of an increasing number of xenobiotic contaminants in aquatic systems has had harmful consequences on ecosystems, as well as on human health. Advanced oxidation processes such as heterogeneous photocatalysis are receiving great attention due to their efficiency, low cost, easy recovery of catalysts. In this context, the objective of this thesis was to synthesize new solid photocatalysts based on the heterogenization of Rose Bengal (RB) with the purpose of obtaining materials with improved photocatalytic properties with respect to those of the organic dye in homogeneous medium, and that will also allow easy recover and reuse the photocatalyst. For this purpose, RB as a photoactive substance was attached to diverse solid supports by different synthetic processes. The new photocatalytic materials were characterized, and the photocatalytic properties of each material were studied in decontamination and/or disinfection processes, in addition to their photophysical and photochemical properties of the dye associated with each of the different materials. Subsequently, the photocatalytic properties of each material were studied in decontamination and/or disinfection processes, as well as the photophysical and photochemical properties presented by the dye associated with each of the different materials. Toxic and persistent compounds in water such as, diclofenac, acetaminophen and ofloxacin. The photocatalytic capacity of the water disinfection materials was evaluated using Gram-positive and negative bacterial strains. Photophysical and photochemical studies were carried out by studying the reactivity of the singlet and triplet excited state of RB in these catalysts against contaminants and molecular oxygen. The following is a summary of the Chapters that compose this doctoral thesis: In Chapter I of this thesis, two new heterogeneous nanostructured silica nanostructured photocatalysts with and without magnetite core that covalently incorporate RB on their surface were synthesized. Both were shown to be capable of producing the photodegradation of drugs, under visible light irradiation. In addition, these photocatalysts were also shown to have a high efficiency in the photoinactivation of Gram-positive bacteria. The effect observed in these materials due to the presence of the magnetite core was mainly physical since it helped their recovery by magnetic fields and produced an increase of the RB concentration on the surface. In Chapter II, two heterogeneous photocatalysts with RB covalently bonded to the surface of silica microparticles with and without magnetite core were synthesized. The silica microparticles with RB showed high efficiency in the removal of DCF in aqueous medium under visible light irradiation, while the silica microparticles with RB and magnetic core. In Chapter III, the influence of the percentage of RB at 0.5,1 and 3% supported on polyamide fabrics was determined for the inactivation of Gram-positive bacteria. Thus, it was seen that the fabric dyed at 1%RB had the highest bacterial photoinactivation capacity, being 6log10 units of reduction in cfu/mL under visible light in 15min. Thus, it was seen that the amount of RB on polyamide fabrics has a great importance. Since a lower amount of RB in the polyamide fabrics was not able to generate sufficient singlet oxygen, while an amount higher than 1% causes aggregation of the photosensitizer. Finally, in Chapter IV, a glass wool photocatalyst with RB on its surface was synthesized to evaluate its ability to photo-inactivate Gram-positive and negative bacteria. For this purpose, the material was first characterized and its photophysical properties were evaluated by fluorescence spectroscopy and laser flash photolysis experiments. Subsequently, the photoinactivation of Gram-negative and positive bacteria at an initial concentration of 106 cfu/mL was evaluated, however, significant inactivation was only observed for the Gram-positive bacteria.