Aplicación de los hidróxidos dobles laminares como fotocatalizadores en la eliminación de gases NOx

Media type: E-Book

Title: Aplicación de los hidróxidos dobles laminares como fotocatalizadores en la eliminación de gases NOx

Contributor: Rodríguez-Rivas, F [VerfasserIn]

imprint: [Erscheinungsort nicht ermittelbar]: Universidad de Córdoba, UCOPress, 2019

Language: Spanish

Identifier:

Origination:

University thesis: Dissertation, Universidad de Córdoba, UCOPress, 2019

Footnote:

Description: La contaminación atmosférica producida por el acelerado crecimiento de la población y la industrialización puede causar graves daños tanto en la salud de las personas como en los ecosistemas e incluso en las infraestructuras y el patrimonio histórico. Entre las principales emisiones nocivas se encuentran los gases de óxidos de nitrógeno (NO y NO2, comúnmente conocidos como NOx) generados por los medios de transporte y varias industrias. Estos gases tienen una elevada toxicidad y generan serios problemas en la salud humana, incluso hasta la muerte, así como problemas medioambientales (lluvia ácida, niebla fotoquímica y destrucción de la capa de ozono, etc). Actualmente, existen diferentes técnicas para el tratamiento del aire contaminado, pero algunas presentan inconvenientes tales como alto coste, generación de residuos etc. Una de las técnicas más prometedoras en la lucha contra la contaminación atmosférica es la fotocatálisis, ya que al ser una técnica no selectiva puede lograr la eliminación de diferentes contaminantes de origen orgánico, inorgánico y biológico, obteniendo un elevado o total grado de mineralización de estos, es decir convirtiéndolos en especies no dañinas. Los hidróxidos dobles laminares (HDL), también denominados compuestos tipo hidrotalcita, han recibido últimamente gran interés científico como fotocatalizadores en la destrucción de contaminantes de diversa naturaleza, gracias a sus características estructurales y superficiales. Estas son, entre otras, su estructura laminar, gran flexibilidad de composición, alta estabilidad térmica, capacidad de intercalación de aniones, preparación fácil y económica, inocuidad para el medio ambiente, etc. El primer sistema fotocatalizador para la eliminación de gases NOx (acción de-NOx) estudiado y presentado en esta memoria, es el de HDL con cationes Zn2+ y Al3+ como iones laminares y anión carbonato como anión interlaminar (sistema ZnAl-CO3), variando la relación Zn2+/Al3+. Estas muestras se sintetizaron por el método de coprecipitación, utilizando concentraciones de metales altas (HC) y diluidas (LC), con el fin de optimizar las condiciones para obtener fases HDL puras. Los fotocatalizadores sintetizados se caracterizaron mediante las técnicas físico químicas de difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de infrarrojo (FT-IR), espectroscopia de plasma (ICP-MS), análisis termogravimétrico (ATG), medidas de superficie específica mediante absorción-desorción de N2 a 77 K (SBET), microscopía eléctronica de barrido (SEM) y espectroscopía UV-Visible por refrectancia difusa (UV‐Vis RD). Mediante la técnica de DRX se ha confirmado la estructura laminar característica de compuestos HDL con el anión carbonato intercalado en el espacio interlaminar, de acuerdo con la bibliografía. Los resultados del análisis ICP-MS indican que las relaciones molares de metales en las muestras son similares a las disoluciones de partida utilizadas en la síntesis, lo que demuestran que este tipo de fotocatalizadores pueden prepararse fácilmente en una variedad de relación molar de los metales. Los espectros obtenidos por espectroscopia FT-IR mostraron las características típicas de los compuestos tipo hidrotalcita, es decir las bandas características de los modos de vibración de tensión de los grupos hidroxilos y de las moléculas de agua, vibración de flexión de las moléculas de agua, modo de vibración 3 del anión carbonato y bandas a valores de número de onda bajos debidas a las vibraciones de red M-O y M-M-O. En el análisis termogravimétrico (ATG) se observaron diferentes etapas correspondientes a pérdidas de peso a medida que aumentó la temperatura. Estas pérdidas se deben a la eliminación del agua fisisorbida, agua interlaminar y la última a, la deshidroxilación y la descarboxilación, formándose ZnO y los óxidos mixtos de los metales presentes. Las fotografías de miscroscopía electrónica (SEM) indicaron que todas las muestras ZnAl- CO3 preparadas presentaban similar morfología, en forma de placas hexagonales característica en este tipo de compuesto. El análisis de la absorción-desorción de N2 mostró que las isotermas de absorción-desorción de las muestras correspondían a materiales macroporosos y/o no porosos, aunque los bucles de histéresis sugirieron también la presencia de mesoporos en todos los fotocatalizadores sintetizados. Los espectros obtenidos por la técnica de reflectancia difusa y convertidos a la función Kubelka-Munk, proporcionaron los valores de las bandas gap" de cada una de las muestras que permitieron demostrar que todas las muestras son activas en el rango ultravioleta del espectro electromagnético. Finalmente, se llevó acabo el estudio de la actividad fotocatalítica de las muestras HDL sintetizadas para disminuir la concentración de los gases NOx. Se asumió que la eliminación fotocatalítica de estos gases ocurre mediante la oxidación completa de NOx. a la especie nitrato. Se observó una clara dependencia entre la eficiencia fotocatalítica y los valores del área superficial de las muestras. La eficiencia fotocatalítica aumentó con el aumento del área superficial, siendo alrededor del 55% en las muestras LC, las cuales presentaron un área superficial casi el doble que las muestras HC, cuya eficiencia de eliminación de gases NO fue un 33%. Las muestras LC no solo mostraron los valores más altos de conversión de gases NO, sino también las emisiones más bajas de gases NO2, alcanzando un valor de eliminación de gases NOx del 50%. La selectividad que presenta este sistema, es decir, la conversión de gases NO directamente a la especie nitrato sin emisión del mas toxico NO2, es sorprendentemente alta, con unos valores de alrededor de 90%, siendo mayor que los obtenidos cuando se utilizaron los productos de referencia (TiO2 y P25). Se estudió también la reutilización de los compuestos ZnAl- CO3 y esta fue excelente, no observándose cambios estructurales de los fotocatalizadores después del proceso de lavado de los sólidos. Por otro lado, se evaluó la potencial capacidad de estos fotocatalizadores simulando condiciones reales de un entorno con altos niveles de concentración de gases NOx (160 ppb, 8h) y para ello se utilizó la muestra que mostro mejer rendimiento en experimentos previos (LC3). Los resultados mostraron unos valores de conversión de gases NOx altos y constantes en torno al 50% durante periodos prolongados de irradiación solar, manteniendo la selectividad aproximadamente alrededor del 90%. Este último experimento fue útil para calcular la formación y deposición de nitratos sobre la superficie de HDL. Por otra parte, la muestra LC3 también presentó un buen funcionamiento en el proceso de-NOx en una atmosfera de una concentración muy alta (600ppb) de gases NO. Uno de los principales inconveniente que presentan los fotocatalizadores ZnAl-CO3 en el proceso de oxidación fotocatalítica de gases NOx es su reducida capacidad de aprovechamiento de la radiación de luz visible. Por lo tanto, la segunda parte de esta memoria trata de la obtención y utilización de un fotocatalizador tipo HDL con mejor aprovechamiento del rango visible de la luz solar. Con ese fin se preparó y estudio el rendimiento de-NOx del sistema HDL ZnAl-CO3 donde el catión Al3+ fue remplazado por el catión Cr3+ en diferentes proporciones. Todas las muestras se prepararon por el método de coprecipitación partiendo de disoluciones con relación molar Zn2+/M3+ = 3, y diferente proporción de los metales a un pH constante para alcanzar las relaciones propuestas. Las muestras sintetizadas se caracterizaron por las técnicas físico-químicas anteriormente mencionadas. En todos los casos los difractogramas obtenidos por DRX fueron característicos de HDL, previamente publicados para estos compuestos. Asimismo, por análisis ICP-MS se determinó que, mediante el método de síntesis utilizado, se puede conseguir reemplazar parcial y completamente los iones Al3+ por Cr3+. Los resultados indicaron que a medida que aumenta la cantidad de Cr3+, la relación molar MII/MIII mantiene la estequiometria de la disolución inicial. Los espectros de FT-IR también mostraron las características típicas de los compuestos tipo hidrotalcita, muy similares a los compuestos del sistema ZnAl-CO3, con la diferencia de que las bandas correspondientes a los modos de flexión de las moléculas de agua, tienden a ser menos intensas y desplazarse a número de ondas menores a medida que se sustituye el Al3+ por el Cr3+. En el análisis termogravimétrico (ATG) se observaron diferentes etapas de pérdida de peso a medida que aumenta la temperatura. La primera etapa corresponde a la perdida de agua fisisorbida y agua interlaminar, la segunda etapa corresponde a la deshidroxilación de las láminas y perdida del anión interlaminar. Esta perdida tuvo lugar en 3 etapas, que solapan, produciéndose el colapso de la estructura laminar con la formación de ZnO y los óxidos mixtos de Zn, Al y Cr. Se observó que la introducción de Cr3+ en las láminas produce un ligero desplaz...

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