Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 9(21...

Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 9(21):1260 -1271 2018

Memoria en extenso. XVII Congreso Internacional XXIII Congreso Nacional de Ciencias Ambientales

1260

Degradación del azocolorante negro ácido 210 mediante procesos avanzados de

oxidación.

Degradation of azo dye acid black 210 by advanced oxidation processes.

§1Esteban Montiel Palacios, 1Josefina Vergara Sánchez, 1César Torres Segundo,1 Gregorio

Bahena Delgado, 1Héctor Huertos Castillo, 2Aarón Gómez Díaz, 2Pedro Guillermo Reyes

Romero, 3Horacio Martínez Valencia.

1 Laboratorio de Análisis y Sustentabilidad Ambiental, Escuela de Estudios Superiores de Xalostoc,

Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Xalostoc, Ayala, Morelos, C.P. 62715, MÉXICO. §Autor para correspondencia [email protected]

2 Laboratorio de Física Avanzada, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma del Estado de

México, Instituto Literario No. 100 Col. Centro, Toluca, Estado de México, C.P. 50000, MÉXICO.

3 Laboratorio de Espectroscopia, Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de

México, A. P. 48-3, Cuernavaca, Morelos, C. P. 62251, MÉXICO.

RESUMEN La industria textil genera grandes volúmenes de aguas residuales

contaminadas con colorantes. Estos compuestos provocan problemas estéticos y requieren

oxígeno para degradarse. Adicionalmente, los azocolorantes son carcinogénicos y

mutagénicos. Los procesos avanzados de oxidación, entre los que se encuentran el

tratamiento con plasma y la fotocatálisis, son una alternativa para el tratamiento de este tipo

de contaminantes ya que se basan en la generación de radicales hidroxilos (•OH), que son

capaces de oxidar una gran variedad de compuestos orgánicos. En este trabajo se efectuó la

degradación del azocolorante Negro Ácido 210 (NA210) mediante plasma generado a

presión atmosférica y fotocatálisis heterogénea con la finalidad de lograr la completa

mineralización del NA210. En el tratamiento con plasma se utilizó un reactor tipo Batch

para generar a este sobre la superficie de la muestra líquida que contenía al NA210 y

limadura de hierro. El plasma fue generado con una fuente de voltaje de corriente, a una

potencia constante de 80W. En el caso de la fotocatálisis, en un rector tipo Batch se

mezclaron el colorante NA210, dióxido de titanio y peróxido de hidrógeno, y se ajustó el

pH a 3.0. Se colocó una lámpara UV coaxial al reactor, y se encendió para activar al TiO2.

En ambos procesos, se tomaron muestras para medir la absorbancia. Se determinó el

carbono orgánico total (COT) al inicio y final del tratamiento. Los resultados indican que

en el tratamiento con plasma se obtuvieron porcentajes de decoloración y mineralización

del 99.9 y 98.77%, respectivamente, después de 180 minutos de tratamiento. Por su parte,

el tratamiento fotocatalítico logró una decoloración del 99% y una mineralización del 90%,

durante dos horas de tratamiento.



1261

Palabras claves: Fotocatálisis, Limadura de hierro, NA210, Plasma, TiO2

INTRODUCCIÓN

En México, las aguas residuales municipales e industriales son vertidas en cuerpos de agua

sin un tratamiento previo, o con un tratamiento no adecuado para este tipo de aguas. En el

año 2014, se generaron 7.21 km3 de aguas residuales municipales, 8 % más que las

industriales. El volumen sin tratar asciende a 51.33 y 68.98 % para las aguas residuales

municipales e industriales, respectivamente (Montiel-Palacios y col., 2018; Conagua,

2016). Las aguas residuales provenientes de la industria presentan una carga contaminante

anual de 9.99 millones de toneladas de DBO5. Estas aguas son 5.54 veces más

contaminantes que las municipales. Ambos tipos de aguas son sometidas, en su mayor

parte, a tratamientos secundarios para alcanzar la calidad requerida para ser vertidas en

cuerpos de agua o para su reutilización. El porcentaje de remoción de la carga contaminante

en las plantas de tratamiento municipales alcanza un valor del 39.49 % mientras que en las

industriales sólo se logra un 13.91 % (Montiel-Palacios y col., 2018; Conagua, 2016). El

volumen de aguas residuales producidas por la industria y su carga contaminante hace

prioritario su tratamiento. La industria textil, en particular, genera grandes volúmenes de

aguas residuales durante sus procesos de fabricación. Estas aguas contienen una compleja

mezcla de compuestos químicos, entre ellos los colorantes (Chacón y col., 2006). Estos

compuestos llevan en su estructura química a un grupo de átomos llamados cromóforos que

causa la coloración de la sustancia. Los colorantes, según sus grupos cromóforos, pueden

ser catalogados como acridínicos, azo, arilmetanos, antraquinónicos, nitrocolorantes,

xantenos, entre otros (Rauf y col., 2011). Los azocolorantes son la clase más numerosa y se

distinguen por sus dobles enlaces -N=N-. Los colorantes provocan problemas estéticos en

los cuerpos de agua y, dificultan la penetración de la luz solar y la disolución del O2

atmosférico. La eliminación de los azocolorantes es de gran importancia debido a su

toxicidad, persistencia y carcinogenicidad (Rocha y col., 2017; Sun y col., 2007). El Negro

Ácido 210 (NA210) es un azocolorante que se usa en el tintado de lana, seda y fibra de

poliamida y, para el teñido de cuero (Rocha y col., 2017). En la Figura 1 se presenta la

estructura química del azocolorante NA210.



1262

Figura 1. Estructura química del colorante Negro Ácido 210

Se han empleado diferentes métodos para tratar las aguas contaminadas con este tipo de

compuestos entre ellos sedimentación, adsorción en carbón activado, procesos biológicos, y

procesos avanzados de oxidación (Dias y col., 2016). Los procesos avanzados de oxidación,

entre los que se encuentran el proceso Fenton, foto-Fenton, tratamiento con plasma,

fotólisis UV y fotocatálisis (Sun y col., 2007; Hisaindee y col., 2013; Park y col., 2013), se

basan en la producción de radicales hidroxilo (•OH), los cuales son capaces de oxidar

diversos compuestos orgánicos. En este trabajo se utilizan procesos avanzados de

oxidación, tratamiento con plasma y fotocatálisis heterogénea, como una alternativa para el

tratamiento de efluentes textiles. La degradación del colorante NA210 ocurre cuando éste

interactúa con el plasma generado, a presión atmosférica, en la interface líquido-aire. El

plasma se produce por una descarga eléctrica de un gas con un haz de electrones de alta

energía. Estos plasmas son fuente de especies reactivas de gran poder oxidante, como el

ozono y los radicales hidroxilo, y de reductoras, como el H y los propios electrones del

plasma. Una ventaja de este tratamiento es que no necesita catalizadores, y opera a

presiones y temperaturas cercanas al ambiente. La fotocatálisis, inicia con la absorción, por

el semiconductor (catalizador), de un fotón con energía mayor o igual a su brecha de banda,

formando pares electrón-hueco (figura 2). Ambos se trasladan hacia la superficie del

catalizador, donde los huecos son atrapados por H2O, H2O2, ⁻ OH adsorbidos (formando

•OH) o incluso por el colorante y, los electrones son capturados por O2 (Rauf y col., 2009;

Domenech y col., 2001). Los azocolorantes pueden ser degradados por los huecos y/o por

los •OH. En la fotocatálisis heterogénea se empleó TiO2 como catalizador debido a su fácil

disponibilidad, bajo costo y estabilidad química (Park y col., 2013; Konstantinou y Albanis,

2004). Se efectuaron diferentes experimentos variando las concentraciones catalizador y

oxidante, para determinar su efecto en la degradación fotocatalítica del azocolorante

NA210.



1263

Figura 2. Esquema del proceso de fotocatálisis heterogénea (Domenech y col., 2001)

METODOLOGÍA

Se utilizó un reactor tipo Batch (figura 3), diseñado y construido en colaboración entre los

laboratorios de Física Avanzada (FC-UAEMex) y el Laboratorio de Análisis y

Sustentabilidad Ambiental (EESuX-UAEM), para producir plasma sobre la superficie de la

muestra líquida (Vergara-Sánchez y col., 2017). El plasma es producido con una fuente de

voltaje de corriente directa (HP Mod. 6525A, 4.0 kV-50 mA), a una potencia constante de

80W. Los valores iniciales del agua destilada que se usó para cada muestra fueron pH 6.4,

conductividad 19.5 mS y temperatura 25.0 °C, añadiendo como catalizador limadura de

Fe2+ (1.0 mM). Una vez preparada la solución se midieron valores iniciales de pH 8.0 y

conductividad eléctrica 89.5 mS a 25.0 °C con una absorbancia de 5.3784 en la longitud de

onda de 604.0 nm.



1264

Figura 3. Reactor para tratamiento con Plasma a presión atmosférica

En un rector tipo Batch se mezclaron el colorante NA210 (0.10 mM), dióxido de titanio

(50, 100 o 200 mg/L) y peróxido de hidrógeno (32.6, 65.2 o 130.4 mM). Se ajustó el pH a

3.0, con ácido sulfúrico diluido. La mezcla se mantuvo en agitación constante. Se colocó

una lámpara UV (120 V, 60 Hz, 0.15 A, 20 W, FP 0.50) coaxial al reactor, y se encendió

para activar al TiO2. En la figura 4 se muestra el sistema fotocatalítico utilizado en la

degradación del azocolorante Negro Ácido 210.

Figura 4. Sistema fotocatalítico utilizado en la degradación del azocolorante NA210



1265

Al inicio, y durante el tratamiento, se efectuaron mediciones de pH, conductividad

eléctrica, temperatura y absorbancia, esta última fue determinada por un espectrofotómetro

HACH DR3900. Las muestras, provenientes del proceso fotocatalítico, fueron

centrifugadas a 4000 rpm durante 5 minutos para separar al catalizador y evitar que

interfiriera en las mediciones de absorbancia. El pH fue medido con un potenciómetro

Hanna HI 2210. Se determinó el carbono orgánico total (COT) al inicio y final de cada

tratamiento.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la figura 5 se presenta el espectro de absorción del Negro Ácido 210 en el intervalo de

300 a 800 nm, identificando 3 picos característicos, en este estudio se monitoreo el de 604

nm.

300 400 500 600 700 8000

2

4

6

8

10

12

14

16

Inte

nsid

ad

(u

.a.)

(nm)

Abs 604 nm

Figura 5. Espectro de Absorción del NA 210

En la figura 6 se presenta la curva de calibración, obtenida a 604 nm, utilizada para

relacionar los valores de absorbancia con las concentraciones, en mM, del azocolorante

NA210. Esta curva se obtuvo realizando 5 diferentes diluciones de una solución con

concentración conocida de colorante. Los valores de absorbancia se relacionaron con las



1266

concentraciones de colorante mediante una función lineal. En la figura 6 se observa la

curva de calibración del colorante NA210, cuya ecuación de ajuste, Ec. (1), es

y = 0.07143 + 8.23729x Ec. (1)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Concentración (mM)

Ab

so

rban

cia

(u

.a.)

Equation y = a + b*x

Weight No Weighting

Residual Sum of Squares

0.0524

Pearson's r 0.9978

Adj. R-Square 0.99451

Value Standard Error

BIntercept 0.07143 0.08283

Slope 8.23629 0.27359

Figura 6. Curva de calibración del colorante NA210

En la figura 7 se presenta el comportamiento del pH y la conductividad eléctrica en función

del tiempo de tratamiento, el plasma genera un aumento en la concentración de H+, debido

al proceso de disociación de moléculas de agua, teniendo como consecuencia una

disminución del pH e incremento en la conductividad eléctrica.



1267

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002

3

4

5

6

7

8

9

pH

Conductividad Electrica

Tiempo (min)

pH

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Co

nd

uc

tivid

ad

Ele

ctric

a (m

V)

Figura 7. Comportamiento del pH y conductividad eléctrica en función del tiempo de tratamiento

El porcentaje de degradación del colorante en función del tiempo de exposición con el

plasma se observa en la figura 8, alcanzando en 180 min un valor de 99.9%, lo que indica

que el tratamiento es eficiente para la eliminación del NA210. El tratamiento con plasma

rompe, prácticamente, todos los enlaces -N=N- de las moléculas de azocolorante.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% D

eg

rad

ació

n

Tiempo (min)

Figura 8. Gráfica del porcentaje de degradación vs. tiempo de tratamiento



1268

El carbono orgánico total (COT) disminuyó 98.78 %, después de 180 minutos, esto permite

inferir que la presencia del plasma en el tratamiento mineraliza la materia orgánica,

convirtiéndola en CO2 y H2O.

En la figura 9 se muestran los resultados del tratamiento fotocatalítico del Negro Ácido 210

cuando se utilizaron tres distintas concentraciones de TiO2 y se mantuvieron constantes las

concentraciones del azocolorante (0.10 mM) y de peróxido de hidrógeno (65.2 mM) a pH =

3. Los porcentajes de decoloración fueron 84, 99 y 99%, después de 120 minutos de

reacción, cuando se utilizaron 50, 100 y 200 mg/L de TiO2, respectivamente. Los valores de

mineralización fueron 27, 90 y 53% cuando se incrementaron, en ese mismo orden, las

concentraciones de catalizador. Estos resultados pueden atribuirse a un mayor número de

sitios activos superficiales, debido al incremento en la cantidad de catalizador, que da lugar

a una mayor producción de radicales •OH, los cuales son capaces de participar en la

degradación del colorante. Después de cierta cantidad de TiO2, la turbidez obstruye la

radiación UV y, por tanto, el porcentaje de degradación disminuye.

El proceso de degradación fotocatalítica fue más eficiente cuando se utilizó 100 mg/L de

TiO2, ya que además de romper los enlaces del grupo cromóforo (-N=N-) transforma al

90% del contaminante en dióxido de carbono.

Figura 9. Tratamiento fotocatalítico del NA210 a diferentes concentraciones de TiO2

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0 30 60 90 120

Deg

rad

ació

n N

A2

10

(%

)

Tiempo (minutos)

50 mg/L 100 mg/L 200 mg/L



1269

En la figura 10 se observa el comportamiento en los porcentajes de degradación del NA210

cuando se emplearon diferentes concentraciones de H2O2, manteniendo el colorante en 0.10

mM, el catalizador en 200 mg/L y el pH en 3. Después de 120 minutos, se lograron

decoloraciones del 97.86, 98.64 y 98.57 cuando se emplearon, respectivamente, 32.6, 65.2

y 130.4 mM de peróxido de hidrógeno. La mineralización fue de 88, 66 y 68% para esas

mismas concentraciones de H2O2. Este comportamiento se puede atribuir a la competencia

entre el colorante y el oxidante por los sitios activos presentes en la superficie del TiO2, así

como a reacciones improductivas entre los radicales generados.

Comparando con los resultados previos, se observa que la interacción entre peróxido de

hidrógeno a una concentración de 65.2 mM y TiO2 a 100 mg/L permite alcanzar una mayor

eficiencia fotocatalítica.

Figura 10. Tratamiento fotocatalítico del NA210 a diferentes concentraciones de H2O2

Durante el proceso fotocatalítico, no se observaron cambios significativos en el pH inicial

de la reacción. La variación de temperatura durante el tratamiento fue, aproximadamente,

de 13 °C, este cambio no disminuyó, de forma importante, el volumen del sistema

experimental.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

0 30 60 90 120

Deg

rad

ació

n N

A2

10

(%

)

Tiempo (minutos)

32.6 mM 65.2 mM 130.4 mM



1270

CONCLUSIONES

Se produjo un plasma para degradar al colorante textil NA210, añadiendo como catalizador

limadura de Fe2+, esto con el propósito de acelerar el proceso de transformación del

colorante en estructuras más sencillas. El tratamiento se realizó en un reactor tipo Batch.

Los resultados indican una remoción del 99.9 % del colorante, por efecto del plasma y el

catalizador. Realizando el mismo tratamiento, pero sin catalizador, se llega a una

degradación del 80.56 %. Los valores de remoción de COT son aproximadamente de 98.7

% en 180 minutos de tratamiento.

Las condiciones óptimas para degradar al colorante NA210 a 0.10 mM, mediante

fotocatálisis heterogénea, fueron [TiO2] = 100 mg/L, [H2O2] = 65.2 mM y pH = 3,

utilizando la lámpara UV cuyas características se mencionan en la metodología,

lográndose, en dos horas de tratamiento, una decoloración y mineralización del 99 y 90%,

respectivamente.

Ambos procesos avanzados de oxidación fueron eficientes en la degradación y

mineralización del colorante NA210.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al proyecto PRODEP DSA/103.5/15/10446, DGAPA IN-101613,

PRODEP DSA/103.5/15/6986, PROMEP 103.5/13/6626 y PII-43/PIDE/2013 por el apoyo

brindado para la realización de este trabajo.

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