Estudio mecanístico de la fotodegradación de contaminantes fenólicos empleando colorantes como fotocatalizadores orgánicos

Abstract

[ES] El agua constituye uno de los elementos fundamentales de la vida que se está viendo afectado por la acción humana, debido a los altos niveles de contaminación. En concreto, las corrientes de aguas residuales procedentes de las industrias alimentarias cuentan con la presencia de contaminantes, como el fenol, orto-fenilfenol, triclorofenol y pentaclorofenol, debido al uso de pesticidas y herbicidas. En base a este problema, se decidió en el presente Trabajo Fin de Grado emplear un proceso de oxidación avanzada para degradar estos contaminantes, en concreto la fotocatálisis, capaz de aprovechar la luz solar a partir del empleo de fotocatalizadores. Se utilizaron dos colorantes como fotocatalizadores, la riboflavina y la eosina Y, que tras absorber luz consiguen alcanzar un estado excitado que reacciona con los contaminantes. Se evaluó la participación tanto del estado excitado singlete como del triplete para proponer un mecanismo plausible de reacción, obteniéndose que aunque la formación del primero es termodinámicamente más favorable, su tiempo de vida es reducido y no consigue reaccionar. Por el contrario desde el triplete se comprobó tanto para la RFAc como para la EOY que la reacción sí tenía lugar. Mediante estudios de fotólisis de destello láser se corroboró la formación del radical RFAc•- a partir de la oxidación de P, OPP y TCP, y la del radical catión de la EOY en presencia de TCP y PCP. Se dedujo que a pesar de que la formación del radical EOY•- no era excesivamente favorable termodinámicamente, su posterior oxidación para alcanzar el estado fundamental EOY sí lo era, concluyendo que las fotodegradaciones estaban teniendo lugar muy probablemente a través de este ciclo. Finalmente, se propuso un mecanismo plausible de reacción para la fotodegradación de los contaminantes mediante ambos fotocatalizadores, teniendo en cuenta tantos los aspectos cinéticos como termodinámicos.

[CA] L’aigua ĐoŶstitueidž uŶ dels eleŵeŶts foŶaŵeŶtals de la vida el Ƌual s’estă veieŶt afeĐtat peƌ l’aĐĐiſ huŵaŶa, degut als alts Ŷivells de ĐoŶtaŵiŶaĐiſ. EŶ ĐoŶĐƌet, les ĐoƌƌeŶts d’aigua residuals procedents de les industries alimentàries compten amb la presència de contaminants com el fenol, orto-feŶilfeŶol, tƌiĐloƌofeŶol i peŶtaĐloƌofeŶol, peƌ l’ús de pestiĐides i heƌďiĐides. En base a aquest problema, es va decidir en el present Treball Fi de Grau emprar un procés d’odžidaĐiſ avaŶçada peƌ a degradar aquests contaminants, en concret la fotocatàlisi, capaç d’apƌofitaƌ la lluŵ solaƌ ŵitjaŶçaŶt la utilitzaĐiſ de fotoĐatalitzadoƌs. S’eŵpƌaƌeŶ dos ĐoloƌaŶts Đoŵ fotoĐatalitzadoƌs oƌgăŶiĐs, la ƌiďoflaviŶa i l’eosiŶa Y, Ƌue despƌés d’aďsoƌďiƌ lluŵ aconsegueixen aplegar a un estat excitat que reacciona amb els contaminants. Es va avaluaƌ la paƌtiĐipaĐiſ taŶt de l’estat edžĐitat siŶglet Đoŵ del tƌiplet peƌ a pƌoposaƌ un mecanisme plausible de reacció, obtenint-se que encara que la formació del primer es termodinàmicament més favorable, el seu temps de vida es reduït i no aconsegueix reaccionar. Pel contrari des del triplet es va comprovar tant per a la RFAc com per a la EOY que la reacció sí es donava. Mitjançant estudis de fotòlisi de làser es va corroborar la formació del radical RFAc•- a paƌtiƌ de l’odžidaĐiſ de P, OPP LJ TCP, i la del ƌadiĐal Đatiſ de la EOY eŶ pƌeseŶĐia de TCP i PCP. Es va deduir que a pesar de que la formació del radical EOY•- no era excessivament favorable termodinàmicament, la seva posteƌioƌ odžidaĐiſ peƌ a aĐoŶseguiƌ l’estat foŶaŵeŶtal EOY sí ho era, concloent que les fotodegradacions estaven tenint lloc molt probablement a tƌavés d’aƋuest ĐiĐle. Finalment, es va proposar un mecanisme plausible de reacció per a la fotodegradació dels contaminants mitjançant els dos fotocatalitzadors, tenint en compte tant els aspectes cinètics com termodinàmics.

[EN] Water constitutes one of the fundamental elements of life that is being affected by human action, due to high levels of pollution. Specifically, wastewater streams from food industries have the presence of pollutants such as phenol, ortho-phenylphenol, trichlorophenol and pentachlorophenol, due to the use of pesticides and herbicides. Based on this problem, it was decided in the present Final Project Degree to employ an advanced oxidation process in order to degrade these contaminants, specifically photocatalysis, which is capable of using sunlight from the use of photocatalysts. Two dyes were used as organic photocatalysts, riboflavin and eosin Y, which, after absorbing light, achieve to get an excited state that reacts with the pollutants. The participation of both singlet and triplet excited states was evaluated to propose a plausible mechanism of reaction, obtaining that although the formation of the first one is thermodynamically more favorable, its life time is reduced and it can not react. On the contrary, since the triplet, both the RFAc and the EOY were checked for the reaction to take place. By means of laser photolysis studies, the formation of the RFAc·- radical was corroborated from the oxidation of P, OPP and TCP, and that of the EOY cation radical in the presence of TCP and PCP. It was deduced that despite the fact that the formation of the EOY·- radical was not excessively favorable thermodynamically, its subsequent oxidation to achieve the fundamental state EOY was possible, by concluding that photodegradations were probably taking place throughout this cycle. Finally, a plausible reaction mechanism for photodegradation of pollutants was proposed by both photocatalysts, taking into account many kinetic and thermodynamic aspects.