Materiales basados en nanopartículas de tio2 para la oxidación fotocatalítica de propeno en fase gas a baja concentración

  1. OUZZINE, MOHAMMED
Dirigida por:
  1. Ángel Linares Solano Director/a
  2. María Ángeles Lillo Ródenas Director/a

Universidad de defensa: Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante

Fecha de defensa: 14 de abril de 2014

Tribunal:
  1. María del Carmen Román Martínez Presidente/a
  2. Juan José Delgado Jaén Secretario
  3. Manuel Sánchez Polo Vocal

Tipo: Tesis

Teseo: 361854 DIALNET lock_openRUA editor

Resumen

1. Antecedentes y estado actual del tema Las emisiones que contienen compuestos orgánicos volátiles (COVs) son muy perjudiciales, incluso a concentraciones bajas. Esto es debido a que tienen efectos nocivos tanto para el medioambiente como para la salud de los seres vivos. Así, se puede destacar que estos contaminantes provocan efectos cancerígenos y mutagénicos, afectan al sistema nervioso central, intervienen en la destrucción de la capa de ozono estratosférica, también son precursores de los oxidantes fotoquímicos, intervienen en la lluvia ácida e influyen en el cambio climático. En los últimos años, se han investigado distintas técnicas para eliminar los compuestos orgánicos volátiles (COVs) tales como la adsorción, absorción, condensación, biofiltración y oxidación catalítica. Cuando los COVs se encuentran a concentraciones bajas, adsorción y oxidación catalítica se encuentran entre los métodos más estudiados. Sin embargo, ambos métodos presentan desventajas. Por un lado, el proceso de adsorción necesita un subsiguiente paso de regeneración. Por otro lado, la oxidación catalítica requiere el uso de elevadas temperaturas, entre 523 y 723 K, y el uso de catalizadores que a menudo son caros. Para la presente Tesis Doctoral se ha seleccionado la fotocatálisis heterogénea en presencia de luz ultravioleta (UV) como alternativa para eliminar los COVs a concentraciones bajas en fase gas. Esta técnica presenta dos ventajas principales respecto a las otras. Se puede emplear una temperatura más baja que la necesaria para la oxidación térmica o catalítica, incluso a temperatura ambiente, con las consiguientes ventajas económicas, y se pueden utilizar fotocatalizadores que son baratos. Los fotocatalizadores más investigados hasta el momento han sido los óxidos semiconductores y, dentro de ellos, el TiO2 en sus diferentes formas y preparaciones, ya que presenta una alta actividad fotocatalítica y una elevada estabilidad química y física. Actualmente, hay muchos autores que han demostrado que las nanopartículas de TiO2 en la forma cristalina de anatasa como fase mayoritaria presentan la mejor actividad fotocatalítica para la degradación de los contaminantes orgánicos del medioambiente. Las ventajas que éstas presentan se basan en su alta eficacia, no toxicidad y estabilidad. Así, el principal objetivo de esta Tesis Doctoral se basa en la preparación y caracterización de materiales a base de nanopartículas de TiO2 y su uso en la oxidación fotocatalítica de propeno a baja concentración (100 ppmv). 2. Objetivos de la investigación El TiO2 tiene la desventaja de estar en forma de polvo, lo que dificulta su uso como fotocatalizador en aplicaciones en fase gas. Así, este se debe conformar o soportar. Al mismo tiempo, y con el fin de que la actividad de los fotocatalizadores sea alta, resulta interesante que el tamaño de las partículas de TiO2 sea lo más pequeño posible y que éstas presenten una elevada superficie específica. Por ello, uno de los propósitos de la presente Tesis Doctoral es la preparación y caracterización de nanopartículas de TiO2, que se van a estudiar solas o soportadas sobre distintos materiales de carbón (nanofibras de carbono y carbones activados con distintas morfologías). Así, el primer objetivo se centra en preparar nanopartículas cristalinas de TiO2 mediante el método sol-gel analizando el efecto de dos agentes de hidrólisis, ácido acético ó isopropanol, y estudiando el efecto de un post-tratamiento de calcinación (entre 300 y 800ºC) en las propiedades físico-químicas del TiO2, y por lo tanto, en su actividad fotocatalítica respecto a la oxidación de propeno en fase gas. El segundo objetivo de este trabajo está relacionado con la síntesis de materiales de TiO2 nanoestructurados mediante el método sol-gel a baja temperatura (78 ºC), desarrollando la cristalización de los xerogeles mediante el tratamiento a reflujo con una mezcla de etanol y ácido (HCl ó HI), y analizando su aplicación en la oxidación fotocatalítica de propeno. El tercer objetivo de nuestro trabajo se relaciona con la preparación y caracterización de materiales híbridos de TiO2 nanoestructurado soportados sobre nanofibras de carbón (TiO2/NFC), usando nanofibras de carbono con distintas propiedades. El cuarto objetivo se centra en preparar y caracterizar otro tipo de materiales híbridos, en este caso TiO2 nanoestructurado soportado sobre dos carbones activados con distinta morfología, uno granular y otro esférico (TiO2/CA). El quinto objetivo es el estudio de las propiedades de los fotocatalizadores preparados frente la oxidación fotocatalítica de propeno a 100 ppmv, analizando las condiciones experimentales más adecuadas para que se produzca la mineralización del mismo. Así, se va determinar la influencia de las condiciones de preparación de los materiales y de las condiciones experimentales de los tests fotocatalíticos, entre las que destaca la longitud de onda usada (UVA~365 nm y UVC~257.7 nm) en la actividad fotocatalítica de estas muestras respecto a la oxidación de propeno. Los experimentos de la oxidación fotocatalítica de propeno se realizarán a temperatura ambiente mediante un dispositivo experimental que consiste en un reactor vertical de cuarzo dónde el lecho del fotocatalizador se sitúa sobre lana de cuarzo. Una lámpara UV se sitúa paralela al reactor. Este dispositivo se encuentra acoplado a un espectrómetro de masas. 3. Metodologia, hipótesis y plan de trabajo El presente estudio se ha iniciado mediante una búsqueda bibliográfica exhaustiva relacionada con el tema de Tesis Doctoral. Tras esto, el trabajo se centrará en la preparación de los fotocatalizadores basados en nanopartículas de TiO2 mediante el método sol-gel. En algunos casos el TiO2 se soportará sobre distintos materiales (nanofibras de carbono y carbón activado con distinta morfología). Se emplearán los mejores métodos para la preparación de TiO2 o TiO2/carbón para desarrollar la textura porosa y la cristalinidad del TiO2. Se optimizarán las condiciones experimentales (temperatura, agente de hidrólisis, naturaleza del ácido, cristalinidad y morfología del soporte,). Una vez los materiales hayan sido preparados, se caracterizarán mediante distintas técnicas: adsorción física de gases (N2 y CO2 a -196 y 0 ºC, respectivamente), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Microscopia Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos X (DRX), Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), Espectroscopía de reflectancia difusa Ultravioleta-visible (UV-vis), Termogravimetría (TG), desorción a temperatura programada (DTP), etc. Posteriormente, se realizarán los experimentos de oxidación fotocatalítica del propeno, analizándose el efecto de distintos parámetros usados en la preparación de los fotocatalizadores.