Resumen

Advanced oxidation processes based on photocatalytic generation of hydroxyl radicals (OH•) have emerged as promising technologies for the removal of recalcitrant pollutants in water. However, their poor recyclability has reduced their potential large scale application.

In this study, the magnetic and photocatalytic nanocomposites have been prepared by the coupling of ZnO with Fe3O4 and mesoporous ZnO (ZnO*) with ZnFe2O4 (at different ratios) via simple synthetic approaches. Characterization of the nanocomposites and their lone components was performed using DLS, FTIR, PL, XRD, SEM-EDS and BET isotherms. The photocatalytic activity was evaluated by monitoring the photo-assisted bleaching of the OH• radical scavenger p-nitroso dimethylaniline (pNDA), and the photodegradation of methylene blue (MB) using UV365nm irradiation. The photocatalytic performance of the different materials was demonstrated to be related to the amount of ZnO on the composite. Therefore, using ZnFe2O4/ZnO* at 1:8 ratio (0.1 mg mL-1), an efficiency of >80% was achieved after 120 min for pNDA and MB, which is comparable to pure ZnO. Additionally, the materials are easily magnetically recovered without losing their performance after three consecutive cycles of re-use.

Water disinfection performance was determined by assesing E. coli inactivation. Bacterial inactivation was achieved, with the best performances obtained by Fe3O4/ZnO at 0.1 mg mL-1 with an efficiency of 90% just after the first 30 min under UV365nm irradiation; and remarkably, ZnFe2O4/ZnO at 1:8 (0.1 mg mL-1) proved to be more effective for bacterial inactivation than ZnO alone, with an inactivation performance of 90% after 15 min, possibly due to a synergistic effect of both materials.

These photoactive nanocomposites showed good performance and could be used for wastewater treatment or disinfection processes. More importantly, these magnetically separable and reusable materials could benefit treatment processes by recycling the photocatalyst, without any efficiency loss after three consecutive uses.

Resumen

Los procesos avanzados de oxidación basados en la generación de radicales hidroxilo (OH•) han emergido como tecnologías prometedoras para la remoción de contaminantes recalcitrantes en el agua. Sin embargo, su baja capacidad de reciclaje ha reducido su potencial en la aplicación a gran escala.

En este trabajo, nanocompósitos magnéticos y fotocatalíticos se han preparado al acoplar ZnO con Fe3O4/ZnO y ZnO mesoporoso (ZnO*) con ZnFe2O4 a diferentes proporciones por rutas sintéticas simples. La caracterización de los nanocompósitos y sus componentes individuales se realizaron utilizando DLS, FTIR, PL, XRD, SEM-EDS e isotermas BET. La actividad fotocatalítica se evaluó por monitoreo (por UV-vis) del blanqueamiento fotoasistido del atrapador de radicales OH• p-nitroso dimetilanilina (pNDA), y la fotodegradación del colorante azul de metileno (MB) bajo irradiación UV365nm. Se demostró que el desempeño fotocatalítico está relacionado a la cantidad de ZnO en el nanocompósito. Por consiguiente, utilizando ZnFe2O4/ZnO* en proporción 1:8 (0.1 mg mL-1), se obtuvieron eficiencias de >80% después de 120 min para pNDA y MB, los cuales con comparables con ZnO puro. Adicionalmente, los materiales se pueden recuperar magnéticamente y reusar por al menos tres ciclos consecutivos sin perder su actividad.

El desempeño como desinfectante de agua se determinó al medir la inactivación de E. coli. La inactivación bacteriana se logró, obteniendo los mejores desempeños por Fe3O4/ZnO a 0.1 mg mL-1 con una eficiencia de 90% en los primero 30 minutos de exposición a irradiación UV365nm; y notablemente, ZnFe2O4/ZnO a una proporción de 1:8 (0.1 mg mL-1) demostró ser mejor desinfectante que el ZnO puro, con una inactivación de 90% transcurridos 15 min, posiblemente debido a un efecto sinérgico entre ambos materiales.

Estos nanocompósitos fotoactivos demostraron buen desempeño y podrían emplearse en tratamiento de aguas residuales y en procesos de desinfección. Más importante aún, estos materiales magnéticos son separables y reusables, lo cual puede brindar beneficios a los procesos de tratamiento al reciclar el fotocatalizador sin pérdidas de eficiencia después de tres usos consecutivos.

Palabras clave: Ciencias del Agua; Nanotecnología; Fotocatálisis; Óxido de Zinc.

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Índice de contenido

Portada

Agradecimientos

Índices

Glosario

Capítulo 1. Introducción

Capítulo 2. Marco Teórico

Capítulo 3. Metodología

Capítulo 4. Resultados y Discusión

Capítulo 5. Conclusiones

Referencias

Anexo A. Fotografías

Anexo B. Videos

Anexo C. Productos de Investigación

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Máynez Navarro, O. D. 2020. Desarrollo de Nanopartículas Mesoporosas Reciclables de ZnO para Tratamiento de Agua y Desinfección. Tesis Doctorado. Ciencias del Agua. Departamento de Ingeniería Civil, Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Diciembre. Derechos Reservados © 2020.