Evaluación de la actividad foto-catalítica y toxicológica de materiales nano-estructurados de dióxido de titanio dopado con cobre

Abstract

Resumen: Uno de los problemas que afectan al mundo es la crisis del recurso agua ya sea por el crecimiento demográfico, cambio climático global y el deterioro en su calidad. Asimismo debido a la actividad humana existen cada vez un mayor número de contaminantes entrando en el suministro agua, tales como metales pesados, productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCPs), disruptores endócrinos entre otros. Los métodos convencionales en el tratamiento de agua pueden tratar de solucionar estos problemas, sin embargo se ha observado que estos no son totalmente eficientes en su degradación por lo que potencia su presencia en cuerpos de agua, provocando alteraciones en organismos acuáticos, humanos y medio ambiente. Los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs) se pueden usar en la descontaminación y desinfección de agua, basándose en la generación de especies químicas reactivas que llegan incluso a la mineralización de compuestos recalcitrantes y eliminación de patógenos. Entre los POAs se encuentra la fotocatálisis heterogénea el cual se basa en el uso de semiconductores como el dióxido de titanio (TiO2) y la radiación con luz ultravioleta (UV). El TiO2 se puede dopar con metales como el cobre para reducir el ancho de banda prohibida y así poder ser activos bajo luz visible. En este trabajo se prepararon materiales nanoestructurados de dióxido de titanio dopado con cobre (TiO2-Cu+2) en diferentes relaciones molares (1,1.5 y 2%) empleando un método de síntesis sol-gel activado con microondas bajo presión. Los materiales sintetizados fueron caracterizados por Microscopia de Barrido Electrónico (SEM), Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS), Microscopia de Absorción Atómica (AFM), Difracción de Rayos X (DRX), Raman y Espectrofotometría UV-Vis con reflectancia difusa Se evaluaron estos materiales de TiO2-Cu+2 en la fotocatálisis de los colorantes azul de metileno y naranja de metilo, además del fármaco diclofenaco. Mostrando bajos porcentajes de degradación esto comparándolo con el dióxido de titanio sin dopar. También se sintetizaron nanocompositos de Cu@TiO2 pero no lograron tener un mayor porcentaje de degradación que los materiales previamente sintetizados. Esto debido a la inestabilidad de los fotocatalizadores en solución acuosa por lixiviación de iones cobre determinado por espectrofotometría de absorción atómica (EAA). Sin embargo en la desinfección fotocatalítica del efluente de una planta de tratamiento industrial los materiales de TiO2-Cu+2 mostraron tener mejor disminución de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) al compararla con el TiO2 sin dopar, además de inactivar por completo las bacterias presentes en él y mejorar las propiedades organolépticas del agua. Igualmente se evaluó la actividad anti-microbiana de los fotocatalizadores de TiO2-Cu+2 frente a una bacteria Gram negativa (E. coli) y una bacteria Gram positiva (S. aureus), siendo más susceptibles las bacterias Gram positivas a este tipo de materiales. La toxicidad in vitro de los materiales de TiO2-Cu+2 fue analizada empleando eritrocitos humanos, obteniendo que los materiales de TiO2-Cu+2 en los porcentajes de 1 y 1.5% no son hemolíticos, sólo el TiO2-Cu+2 2% en altas concentraciones puede llegar a presentar una ligera hemólisis.

Abstract: One of the problems affecting the world is the crisis for water resources either by population growth, global climate change and water quality deterioration. Also, due to human activity, there are an increasing number of pollulants entering the water supplies such as heavy metals, Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs), endocrine disrupters among others. Conventional wasterwater treatment may try to solve these problems, however, these are not fully efficient in their degradation, thus enhancing their presence in water bodies causing alterations on aquatic organisms, humans and into the environment. Advanced Oxidation Processes (AOPs) can be used for decontamination and disinfection of water, based on the generation of reactive chemical species reaching mineralization even for recalcitrant compounds and pathogenic microorganisms. Between AOPs heterogeneous photocatalysis can be found among the AOPs as a process based on the use of a semiconductor like titanium dioxide (TiO2) and radiation with ultraviolet light (UV). TiO2 may be doped with metals such as copper to decrease band gap in order to become visible-light active. In this work, nanostructured materials of copper doped titanium dioxide (TiO2-Cu+2) were preparated at different molar ratios (1, 1.5 y 2%) using a sol-gel synthesis method activated with microwaves (under pressure). The synthesized materials were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and UV-Vis diffuse rreflectance spectroscopy. The TiO2-Cu+2 materials were evaluated on the photocatalytic removal of dyes (methylene blue and methyl orange) and diclofenac. The results showed low rates of degradation, compared with the undoped titanium dioxide. Cu@TiO2 nanocomposites were also synthesized but they didn't showed higher degradation efficiencies in comparasion to TiO2-Cu+2 matherials. This is due to the instability of photocatalysts in aqueous solution, since leaching of copper ions was confirmed by atomic absorption spectroscopy (AAS). Nevertheless, in the photocatalytic disinfection of the industrial plant effluent, TiO2-Cu+2 materials showed a larger decrease on chemical oxygen (COD) demand, compared with TiO2 undoped as well as completely inactivate the bacteria in it and improve organoleptic properties of water. Equally, the anti-microbial activity of TiO2-Cu+2 photocatalysts were evaluated against a gram-negative bacteria (E. coli) and a gram-positive bacteria (S. aureus), resulting more susceptibles to these kind of materials the gram-positive ones. In vitro toxicity of TiO2-Cu+2 materials was tested on human erythrocytes. The materials at concentration of 1 and 1.5% showed no hemolysis but TiO2-Cu+2 at 2% only in high concentrations can be slightly hemolytic.