Desarrollo de un prototipo para la desinfección de aire de interiores mediante la fotocatálisis heterogénea

Abstract

RESUMEN La calidad del aire en interiores es un problema crucial para la salud humana, contribuyendo a enfermedades respiratorias y al "Síndrome del Edificio Enfermo". La pandemia de COVID-19, resaltó la necesidad de sistemas eficaces de desinfección del aire en espacios cerrados. Los sistemas actuales de purificación aire son efectivos a corto plazo, pero no controlan completamente la contaminación de aire de interiores. En este contexto, los procesos avanzados de oxidación (PAOs) como la fotocatálisis heterogénea, se presenta como una solución prometedora. Este estudio se enfoca en la síntesis de fotocatalizadores basados en oxihalogenuros de bismuto (BiOX, donde X = I o Cl) y sus compósitos con óxido de grafeno (GO) y plata, para diseñar un filtro fotocatalítico de laboratorio para la desinfección de aire de interiores. Los materiales fueron caracterizados mediante varias técnicas, incluyendo microscopia electrónica de barrido–espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (SEM-EDS), microscopia electrónica de trasmisión (HRTEM), microscopia de fuerza atómica (AFM), espectroscopia infrarroja (FT-IR), difracción de rayos X (DRX), espectroscopia UV-Vis con reflectancia difusa (UV-DRS), y área de superficie especifica (SBET). La actividad microbicida de los materiales fue evaluada empleando S. aureus como organismo modelo. Los resultados mostraron que los compósitos con óxido de grafeno (GO) tenían una actividad bactericida superior a los materiales prístinos, lo que los convierte en buenos candidatos para sistemas de desinfección de aire. La seguridad del material se confirmó mediante pruebas de viabilidad celular con la línea celular de epitelio alveolar (A549), donde se demostró que concentraciones menores a 100 µg/mL eran seguras. Finalmente, se diseñó y fabricó un prototipo de filtro empleando los materiales sintetizados soportados en perlita, se evaluó en una clínica de estomatología. Este dispositivo logró eficiencias de remoción de microorganismos superiores al 90%, destacándose el BiOCl/GO con un 97% de desinfección.

ABSTRACT Indoor air quality is a crucial issue for human health, contributing to respiratory diseases and “sick building syndrome”. The COVID-19 pandemic emphasized the need for effective indoor air disinfection systems. Current air purification systems are effective in the short term but do not completely control indoor air pollution. In this context, advanced oxidation processes (AOPs), such as heterogeneous photocatalysis, emerge as a promising solution. This study focuses on the synthesis of photocatalysts based on bismuth oxyhalides (BiOX, where X = I or Cl) and their compounds with graphene oxide (GO) and silver, to design a laboratory-scale photocatalytic filter for indoor air disinfection. The materials were characterized by various techniques including scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEMEDS), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), atomic force microscopy (AFM), infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), UVVis spectroscopy with diffuse reflectance (UV-DRS), and specific surface area analysis (SBET). The microbicidal activity of the materials was evaluated using S. aureus as a model organism. The results showed that graphene oxide (GO) composites had superior bactericidal activity to pristine materials, making them the best candidates for air disinfection systems. The safety of the material was confirmed by cell viability testing using the alveolar epithelial cell line (A549), demonstrating that concentrations below 100 µg/mL were safe. Finally, a filter prototype was designed and manufactured using the synthesized materials supported on perlite and evaluated in a dental clinic. This device achieved microorganism removal efficiencies greater than 90%, with BiOCl/GO standing out with 97% disinfection.