Desarrollo de sistemas bifuncionales adsorbente-fotocatalizador para la degradación de contaminantes en aire

Resumen

El impacto de la contaminación del aire sobre la salud y el medioambiente es una preocupación importante en la sociedad actual. Los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) contribuyen a fenómenos atmosféricos tan importantes como el smog fotoquímico. Además, muchos de estos compuestos producen daños en las vías respiratorias y son considerados carcinogénicos. Dentro de las tecnologías para el control de la contaminación, la fotocatálisis heterogénea ha demostrado ser eficiente tanto en fase acuosa como en fase gas. Aunque el TiO2 es el fotocatalizador por excelencia, en los últimos años se han abordado diferentes estrategias para promover su eficiencia. Los sistemas fotocatalíticos bifuncionales basados en un adsorbente y un fotocatalizador, conocidos por su acrónimo en inglés (APHs), son una familia de materiales que ofrecen grandes posibilidades para el tratamiento de contaminantes. Estudios realizados con la participación del Grupo FOTOAIR, han demostrado que los materiales híbridos basados en sepiolita y TiO2 consiguen aumentar la velocidad de reacción respecto al semiconductor de referencia, disminuyendo la formación de subproductos de reacción y favoreciendo la mineralización. La combinación de las propiedades fotocatalíticas del semiconductor con las propiedades del adsorbente permite obtener mejoras notables en la eficiencia fotocatalítica. El trabajo realizado en esta tesis doctoral plantea como objetivo principal el desarrollo de fotocatalizadores híbridos basados en un adsorbente y un fotocatalizador, que mejoren las propiedades de los sistemas convencionales para la eliminación de VOCs en fase gas, tanto en presencia de luz UV-A como de luz visible. Para ello, se propone el uso de diferentes adsorbentes con distintas propiedades estructurales y químicas, como son las zeolitas y los carbones, junto con un semiconductor como es el óxido de titanio. Se han seleccionado dos moléculas contaminantes modelo: el formaldehído, característico de aire interior y el tricloroetileno, un compuesto organoclorado emitido en industrias que requieren el uso de disolventes. Otro de los objetivos planteados en esta memoria, es el desarrollo de fotocatalizadores sensibles a la luz visible, que permitan un mayor aprovechamiento del espectro de radiación solar. Para lograr estos objetivos, se han seleccionado dos tipos de zeolitas comerciales, con estructura FAU (zeolita Y) y MFI (ZSM-5) y relaciones SiO2/Al2O3 entre 5 y 280. Además, se han seleccionado cuatro tipos de carbones comerciales, micro-mesoporosos con distinto grado de grafitización e hidrofobia para conformar el sistema híbrido. Todos los materiales comerciales y los fotocatalizadores adsorbente/semiconductor sintetizados se han caracterizado mediante numerosas técnicas analíticas con el objetivo de conocer sus principales propiedades fisicoquímicas y relacionarlas con la fotoactividad. Se ha evaluado la influencia de la naturaleza del adsorbente, del contenido en titanio, de la naturaleza del TiO2 y el método de incorporación del semiconductor, así como de la naturaleza del compuesto a fotodegradar en la eficiencia fotocatalítica. Además, se ha analizado la posible sinergia establecida entre ambos materiales para tratar de explicar la mejora en la actividad fotocatalítica observada. Finalmente, se han seleccionado los híbridos con mejores propiedades fotocatalíticas y se ha estudiado su estabilidad con el tiempo de reacción, la influencia del vapor de agua y se ha determinado la cantidad de material necesario para preparar estructuras monolíticas para el tratamiento de aire contaminado a escala demostración en dos escenarios diferentes: tratamiento de aire interior con un sistema de aire acondicionado y tratamiento de VOCs emitidos en una planta industrial. Los resultados que se han obtenido son muy prometedores ya que permiten alcanzar altas eficiencias utilizando una menor cantidad de fotocatalizador, respecto a las tecnologías convencionales implementadas en la actualidad.