evaluación de la actividad fotocatalítica de manganita de
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
2020
Evaluación de la actividad fotocatalítica de manganita de lantano Evaluación de la actividad fotocatalítica de manganita de lantano
dopada con lantánidos (holmio, samario) en la eliminación de dopada con lantánidos (holmio, samario) en la eliminación de
contaminantes recalcitrantes en agua contaminantes recalcitrantes en agua
Laura Paola Espinosa Suárez Universidad de La Salle, Bogotá
Julián Felipe Mendoza Vergara Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Espinosa Suárez, L. P., & Mendoza Vergara, J. F. (2020). Evaluación de la actividad fotocatalítica de manganita de lantano dopada con lantánidos (holmio, samario) en la eliminación de contaminantes recalcitrantes en agua. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1838
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1
EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD FOTOCATALÍTICA DE MANGANITA DE LANTANO
DOPADA CON LANTÁNIDOS (HOLMIO, SAMARIO) EN LA ELIMINACIÓN DE
CONTAMINANTES RECALCITRANTES EN AGUA
LAURA PAOLA ESPINOSA SUÁREZ
JULIÁN FELIPE MENDOZA VERGARA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ D.C
2020
2
EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD FOTOCATALÍTICA DE MANGANITA DE LANTANO
DOPADA CON LANTÁNIDOS (HOLMIO, SAMARIO) EN LA ELIMINACIÓN DE
CONTAMINANTES RECALCITRANTES EN AGUA
LAURA PAOLA ESPINOSA SUÁREZ
41142022
JULIÁN FELIPE MENDOZA VERGARA
41142023
Trabajo de Grado para optar el Título de
Ingeniero Ambiental y Sanitaria
Director
ÓSCAR ARTURO GERENA ROJAS
Químico Dr. Sc.
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ D.C
2020
3
Bogotá, 2020
DEDICATORIA
Primero que todo a Dios, por señalarme el camino a seguir, por darme la fortaleza y la capacidad de
sobreponerme ante las adversidades.
A mis padres Ancizar y Clara, por el amor incondicional, el apoyo brindado, por toda la paciencia y
educación con la que me han guiado durante cada etapa de mi vida.
A mi abuela Barbara por los consejos, el amor, el apoyo incondicional, por ser mi más grande
motivación y el pilar más importante de mi vida, aunque ya no estés conmigo.
A mis tíos y es especial a mi tío Mario por ayudarme durante todo el proceso académico, por creer
en mí y ser un apoyo incondicional.
A Julián por su paciencia, amistad y complicidad durante todos estos años.
Laura Paola Espinosa Suarez
Esta aventura se la agradezco mucho a mis padres en especial a mi madre y a las personas que creyeron en
mí, que aun así por las diferentes etapas que pase en mi vida y por las cuales pensaron que iba a desfallecer,
me levante y di la cara para demostrar que todo lo que te propones lo puedes sacar adelante.
Agradezco mucho a nuestro director de tesis Oscar Arturo Gerena Rojas por creer en nosotros y no solo
por ser un gran maestro sino también un gran amigo en mi carrera como estudiante.
A mi tío Wilson y George Demetrio Benavides Arellano por ayudarme muchas noches con mis
experimentos de física y por creer en mí.
A mi abuelita, mi abuelito y mi tío Cesar porque siempre preguntaron por mi rendimiento y me ayudaron
con su apoyo emocional.
A mi hermano y mi hermana por ser una inspiración para seguir adelante.
A mis amigos de la universidad en los cuales siempre estuvieron conmigo en toda la carrera y fueron un
gran apoyo tanto emocional como intelectual, en especial a mi compañera de tesis Laura, la cual estuvo
presente en toda mi carrera y fue un gran apoyo emocional y educativo durante esta.
Por último, a las personas que me brindaron ayuda cuando más lo necesite de verdad les agradezco mucho
el apoyo y en especial a todos los que me vieron en un mal memento de mi vida, pero jamás dejaron de
creer en mí.
Julián Felipe Mendoza Vergara
4
AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer primeramente a Dios por las bendiciones que nos dio día a día, y a todas
aquellas personas que de alguna manera nos ayudaron a desarrollar este logro.
Nuestros más sinceros agradecimientos al director Óscar Gerena, por su guía, paciencia y
acompañamiento en este proceso, por transmitirnos sus conocimientos y dirigirnos con la mejor
disposición.
A Willie Alexander Hernandez Romero, por su colaboración en el manejo y ejecución del
programa Minitab® y por compartir con nosotras sus conocimientos en el área de estadística.
A todo el personal del Centro Tecnológico de Ambiente Sostenible (CTAS) y al personal de los
laboratorios de ciencias básicas por su amabilidad, disponibilidad y colaboración durante todo el
desarrollo de la investigación.
A nuestra familia y amigos, por la comprensión, el apoyo y la paciencia.
5
TABLA DE CONTENIDO
GLOSARIO ............................................................................................................................................ 9
RESUMEN ........................................................................................................................................... 11
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 13
OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 15
OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................... 15
OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................................. 15
1. ANTECEDENTES ....................................................................................................................... 16
2. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................................... 19
2.1. MARCO TEÓRICO.................................................................................................................... 19
2.2. MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................................... 20
2.2.1. FOTOCATÁLISIS ............................................................................................................... 20
2.2.2. FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE FOTOCATÁLISIS ................................. 23
2.2.3. CONTAMINANTES RECALCITRANTES ......................................................................... 24
2.2.4. AGUA SINTETICA ............................................................................................................. 25
2.2.5. FENOLES............................................................................................................................ 25
2.2.6. DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO) ................................................................... 25
2.2.7. HOLMIO (Ho) ..................................................................................................................... 25
2.2.8. SAMARIO (Sm) ................................................................................................................. 26
2.3. MARCO LEGAL........................................................................................................................ 26
3. METODOLOGÍA ............................................................................................................................ 28
3.1. CONSULTA BIBLOGRÁFICA ................................................................................................. 28
3.2. DISEÑO DE EXPERIMENTO ................................................................................................... 29
3.3. EXPERIMENTO ........................................................................................................................ 29
3.3.1. VARIABLES CONSIDERADAS EN EL PROCESO ........................................................... 29
3.4. PREPARACIÓN DE REACTIVOS ............................................................................................ 30
3.4.1. PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN PATRÓN DE RESORCINOL .................................. 30
3.4.2. DISOLUCIONES PARA LA CURVA DE CALIBRACIÓN. ............................................... 30
3.5. CURVA DE CALIBRACIÓN..................................................................................................... 30
3.6. MONTAJE DEL REACTOR ...................................................................................................... 31
3.6.1. Ajuste de variables ............................................................................................................... 33
3.6.2. Pruebas Fotocatalíticas ......................................................................................................... 34
6
3.6.4. Método 4-aminoantipirina (4-APP) ...................................................................................... 35
4. RESULTADOS ................................................................................................................................ 37
4.1. CURVA DE CALIBRACIÓN..................................................................................................... 37
4.2. PROCEDIMIENTO .................................................................................................................... 38
4.2.1. Efecto de la concentración de Resorcinol (C6H6O2) .............................................................. 38
4.2.2. Porcentaje de eliminación del Resorcinol.............................................................................. 39
4.3. EFECTO CONCENTRACION VS TIEMPO .............................................................................. 39
4.3.1. MANGANITA DOPADA CON SAMARIO ........................................................................ 40
4.3.2. MANGANITA DOPADA CON HOLMIO ........................................................................... 40
4.4. PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE RESOLCINOL ................................................................. 41
4.4.1. MANGANITA DOPADA CON SAMARIO ........................................................................ 41
4.4.2. MANGANITA DOPADA CON HOLMIO ........................................................................... 44
4.5. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO) ............................. 46
4.6. ANÁLISIS DE VARIANZA ..................................................................................................... 48
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS....................................................................................................... 57
6. RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 59
REFERENCIAS .................................................................................................................................. 60
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Diferentes trabajos relacionados con la aplicación de H2O/UV en efluentes recalcitrantes.
.............................................................................................................................................................. 17
Tabla 2. Marco legal aplicado. ............................................................................................................ 26
Tabla 3. Consulta bibliográfica. .......................................................................................................... 28
Tabla 4. Ensayos realizados. ............................................................................................................... 29
Tabla 5. Dosificación de los reactivos para curva de calibración. ...................................................... 31
Tabla 6. Datos pertenecientes a la curva de calibración para la validación del método analítico. .... 37
Tabla 7. Datos obtenidos de la curva de calibración del método analítico. ....................................... 38
Tabla 8. Porcentaje de eliminación de concentración de Resorcinol por catalizador empleado. ...... 39
Tabla 9. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO. 41
Tabla 10. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO
.............................................................................................................................................................. 42
Tabla 11. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
.............................................................................................................................................................. 43
Tabla 12. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO. 44
Tabla 13.Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO. 45
Tabla 14. Determinación de valores de DQO. .................................................................................... 47
7
Tabla 15. Factores y niveles de cada una de las variables utilizadas en el programa Minitab versión
19.2. ...................................................................................................................................................... 48
Tabla 16. Condiciones en las cuales cada uno de los factores fueron estudiados y analizados por el
programa, con un nivel de significancia de 0,05. ................................................................................ 48
Tabla 17. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) y los niveles que posee dentro de
estudio con sus valores respectivos...................................................................................................... 48
Tabla 18. Información del factor 2 (carga del catalizador) y los niveles que posee dentro de estudio
con sus valores respectivos. ................................................................................................................. 49
Tabla 19. Información del factor 3 (tiempo) y los niveles que posee dentro de estudio con sus valores
respectivos............................................................................................................................................ 49
Tabla 20. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) dando el valor P. ....................... 49
Tabla 21. Información del factor 2 (carga del catalizador) dando el valor P. ................................... 49
Tabla 22. Información del factor 3 (tiempo) dando el valor P. .......................................................... 49
Tabla 23. Resumen del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza
la misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales. .............................................................. 50
Tabla 24.Medias del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza la
misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales. .................................................................. 50
Tabla 25. Resumen del factor 3 (Tiempo). .......................................................................................... 50
Tabla 26. Medias del factor 3 (tiempo), se denotan cada uno de los niveles. ..................................... 51
INDICES DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Estructuras químicas del piramidil obtenidas por la degradación fotocatalítica mediante el
TiO2. ..................................................................................................................................................... 22
Ilustración 2. Reactor de vidrio tipo Batch. ........................................................................................... 32
Ilustración 3. Reactor cubierto. ............................................................................................................. 32
Ilustración 4. Diodo emisor de luz. ....................................................................................................... 32
Ilustración 5. Montaje de reactor. ......................................................................................................... 33
Ilustración 6. Ultrasonido Elmasonic E 60 H. ....................................................................................... 34
Ilustración 7.Centrifuga DINAC II. ...................................................................................................... 34
Ilustración 8. Sobrenadante. ................................................................................................................. 35
Ilustración 9. Reacción de color. .......................................................................................................... 36
Ilustración 10. Reacción de color.......................................................................................................... 36
Ilustración 11. Lectura en espectrofotómetro. ....................................................................................... 36
Ilustración 12. Lectura en espectrofotómetro. ....................................................................................... 37
Ilustración 13. Pruebas de DQO realizadas para cada compuesto. ......................................................... 47
Ilustración 14. Pruebas de DQO realizadas por titulación. ..................................................................... 47
INDICE DE GRAFICAS
Grafica No.1. Curva de calibración para la para la validación del método analítico…………………36
Grafica No. 2. Concentración Vs Tiempo – SAMARIO……………………………………………..…38
Grafica No. 3. Concentración Vs Tiempo – HOLMIO…………………………………………………39 Grafica No. 4. Porcentaje de remoción Resorcinol – SAMARIO……………………………………….40 Grafica No. 5. Porcentaje de remoción Resorcinol –SAMARIO………………………………………..41
8
Grafica No. 6. Porcentaje de remoción Resorcinol –SAMARIO………………………………………..41
Grafica No. 7. Porcentaje de remoción Resorcinol –HOLMIO…………………………………………42
Grafica No. 8. Porcentaje de remoción Resorcinol –HOLMIO…………………………………………43
Gráfica No. 9. Caja de factor 1 porcentaje de remoción vs concentración de resorcinol realizada
en MINITAB…………………………………………………………………………………………….52
Gráfica No. 10. Caja del factor 2 porcentaje de remoción vs carga del catalizador realizada en
MINITA …..……………………………………………………………………………………………..52
Gráfica No. 11. Caja de porcentaje de remoción vs tiempo factor 3 realizada en MINITAB…53
Gráfica No. 12. Caja de factor 1 porcentaje de remoción vs concentración de resorcinol
realizada en MINITAB. ………………………………..………………………………………………56
Gráfica No. 13. Caja del factor 2 porcentaje de remoción vs carga del catalizador realizada en
MINITAB.…………………………………………………………..……………………………………56
INDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Efecto de la concentración de Resorcinol (C6H6O2)……………………………….37
Ecuación 2. Porcentaje de eliminación del Resorcinol………………………………………….38
Ecuación 3. Determinación de la demanda química de oxigeno (DQO)………………………..45
9
GLOSARIO
Aguas residuales coloreadas (ARC): son mezclas complejas que contienen sustancias recalcitrantes
difíciles de oxidar por métodos convencionales. [Garcés. L, 2010]
Catalizador: Sustancia que acelera o retarda una reacción química sin participar en ella ni
interferir en su producto. [RAC, 2004]
Cinética: Hace referencia a la rapidez o velocidad de las reacciones que se llevan a cabo dentro
de determinado proceso. [Garcés, et al., 2005]
Co-catalizadores: Son sustancias químicas que por sí solas son catalizadores débiles, pero
incrementan significativamente la actividad de determinados catalizadores. [RAC, 2004]
Compuestos Aromáticos: Son compuestos orgánicos cíclicos o policíclicos altamente insaturados
que poseen una mayor estabilidad debido a la deslocalización electrónica entre los enlaces π. [Bosco,
2007]
Compuestos Orgánicos: Son sustancia química que contiene algún átomo de carbono en su
molécula, la mayoría de los compuestos orgánicos se obtienen de forma artificial mediante
procesos químicos, sin embargo, existen algunos que se pueden extraer de fuentes naturales o
pueden ser sintetizados por los seres humanos, estos reciben el nombre de biomoléculas. [Bosco,
2007]
Compuestos Organometálicos: son aquellos compuestos que contienen un enlace entre un metal
y el carbono, la interacción del enlace puede ser iónica o covalente, localizada o deslocalizada
entre uno o más átomos de carbono de un grupo orgánico o molécula y un átomo metálico de
transición, lantánido, actínido, o de algún grupo principal. [UNESCO, 2003]
Compuestos recalcitrantes: Los contaminantes recalcitrantes son aquellos que, por tener una
estructura muy estable químicamente, no pueden ser degradados por los métodos de depuración
convencionales. [CIATEJ, 2007]
Fenoles: Son compuestos orgánicos aromáticos, suelen presentarse como sólidos cristalinos entre
incoloros y blancos, que poseen un olor característico dulce y alquitranado; a temperatura ambiente
se encuentran también como un polvo blanco; en contacto con el aire, sus cristales son altamente
higroscópicos y toman una coloración entre rosada y rojiza. [Agency for Toxic Substances, 1999]
Mineralización: la mineralización del agua es el proceso por el que el agua obtiene minerales u
otras sustancias disueltas que le confieren unas propiedades específicas y pueden alteran su sabor.
10
Fotocatálisis: consiste en la destrucción de los contaminantes mediante el empleo de radiación
solar ultravioleta y catalizadores con el objeto de formar radicales hidroxilo, los cuales
posteriormente tendrán un efecto oxidante sobre los contaminantes químicos. [Garcés, et al., 2005]
Fotodegradación: se da por los cambios químicos resultantes de la absorción de luz que reducen
las propiedades útiles de materiales, particularmente de polímeros. Los cambios químicos pueden
incluir especialmente la columna vertebral molecular y formación de color. [Garcés, et al., 2005]
Fotoluminiscencia: Las sustancias fotoluminiscentes cuando están expuestas a radiaciones
ultravioletas (UV), emiten luz visible resultante de un simple fenómeno de atracción de los átomos,
de tal forma que, al ser atraídos por la radiación ultravioleta, almacenan la energía que, más tarde,
en una situación de ausencia de luz, van liberando durante largo tiempo mediante una luz visible,
hasta que los átomos regresan a su estado inicial. [Garcés, et al., 2005]
Irradiación: energía radiante recibida por unidad de superficie sobre la que incide, obtenida por
integración de la irradiancia sobre el tiempo requerido. Expresada en J/m2 o equivalentes.
pH: Término que expresa la actividad del ion hidrógeno en una disolución, definido por la relación
pH = -log H+, Una disolución acuosa de pH < 7 es ácida, de pH = 7 es neutra y de pH > a 7 es
básica.
Radiación Infrarroja: (IR) es un tipo de radiación electromagnética y térmica, tiene menor
frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. Su rango de longitudes de onda va desde
unos 0,7 hasta los 1000 micrómetros.
Radiación Ultravioleta: (UV) es la radiación electromagnética cuya longitud de onda está
comprendida aproximadamente entre los 400 nm (4x10−7 m) y los 15 nm (1,5x10−8 m).
Síntesis: Las reacciones de síntesis o combinación ocurren cuando dos o más reactivos forman un
solo producto; generalmente se libera calor (Δ) (reacción exotérmica). También se les conoce
como reacciones de adición. [UNAM.MX, 2007]
Viscosidad: Es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse
unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las
fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras
moléculas del mismo líquido. [UNESCO, 2003]
11
RESUMEN
Uno de los principales problemas actuales a nivel global es la gestión del recurso hídrico, esta
gestión incluye desde las fuentes naturales del recurso hasta el destino final de éste una vez usado.
Dentro de los compuestos que se encuentran de manera regular en aguas residuales se encuentran
los fenoles, materias primas o productos intermedios en numerosas industrias petroquímicas,
químicas y farmacéuticas, por su naturaleza fisicoquímica, son de bajo peso molecular y
significativa solubilidad en agua (contaminantes recalcitrantes, difíciles de eliminar por métodos
convencionales de tratamiento de aguas residuales), condiciones que favorecen procesos de
degradación oxidativa, semejantes a los que sufren los hidrocarburos aromáticos de mayor peso
molecular; motivo por el cual los fenoles son, posiblemente, los compuestos modelo más
empleados para el desarrollo de nuevos procesos de descontaminación de aguas.
Como respuesta a esta situación, se han propuesto técnicas denominadas tratamientos terciarios
con los que se ha intentado descomponer los compuestos recalcitrantes; una de estas técnicas es la
fotocatálisis que consiste en el uso de sólidos semiconductores que utilicen la energía radiante para
la mineralización de los contaminantes. La principal ventaja de la fotocatálisis es la posibilidad de
incorporar la radiación solar como fuente energética para la transformación de los contaminantes
presentes en cuerpos acuosos. Por lo anterior, el proceso de degradación adquiere un valor
ambiental adicional, significativo y se convierte en una técnica sostenible.
Este estudio se verificó mediante un investigación experimental a nivel de laboratorio, utilizando
un reactor batch, en el que se desarrollaron las pruebas fotocatalíticas; consistentes en una serie de
ensayos, programados mediante un diseño experimental, en los que se variaron las condiciones de
operación, del pH, la carga del catalizador y concentración del fenol de prueba (Resorcinol), con
el objeto de encontrar las mejores condiciones de operación del fotocatalizador.
Como sólido de estudio, se seleccionó la manganita de lantano LaMnO3, un semiconductor con
estructura perovskita que, según estudios previos como los de Cultid, E. J. (2017) donde la
actividad fotocatalitica de la manganita de lantano dopada con estroncio, presenta una actividad
fotocatalitica alta para el tratamiento de gases licuados en industrias petroleras, dando así una
probabilidad alta de ser un buen fotocatalizador.
El estudio realizado obedece a un diseño experimental del tipo 2n, donde n representa las variables
que se van a tomar; se tuvieron en cuenta en este ensayo la estadistica, el numero de ensayos, las
propiedades al medir las variables de procesos y los metodos analiticos a usar, donde se
examinaron los efectos de la concentración de Resorcinol, la carga del catalizador y el tiempo,
sobre la actividad fotocatalítica de la manganita de lantano para la descomposición del Resorcinol,
el cual es uno de los compuestos pertenecientes a la familia de los fenoles.
Los resultados obtenidos muestran que el ensayo con mayor porcentaje de remoción (66,2%) a los
primeros 5 minutos, fue bajo las condiciones de 400 ppm de Resorcinol, 0,035 g de catalizador y
pH 5. Adicional a esto, el análisis de varianza ANOVA estableció que existen diferencias en el
primer análisis de varianza contemplando todos los tiempos establecidos, ya que tanto el valor P
como el valor F muestran la relación de los datos con respecto a la remoción del resorcinol y a su
12
vez acepta la hipótesis alterna la cual dice que las medias son totalmente diferentes, por otra parte
se vio la mayor influencia de remoción en los 5 minutos lo que llevo a realizar un segundo análisis.
donde solo se tomaron los valores dados a los primeros 5 minutos de cada ensayo para denotar los
cambios en el estudio ANOVA por consiguiente los cambios en los resultados tanto del valor P
como del valor F se vieron notoriamente influenciados dando como resultado que se debe aceptar
la hipótesis nula donde todas las medias son iguales y a su vez el valor F que relaciona los datos
con los resultados estuvo altamente disminuido dando así una disminución de la relación con los
datos.
Palabras clave: Aguas residuales, fotocatálisis, radiación ultravioleta, manganita de lantano,
contaminantes recalcitrantes, Resorcinol.
13
INTRODUCCIÓN
El desarrollo industrial de un país se encuentra relacionado con el uso de sus recursos naturales,
es por esto que se deben definir nuevas estrategias de remoción de carga contaminante para cumplir
la nueva normatividad de usos de agua y vertimientos líquidos en Colombia. El contenido de los
efluentes industriales, llevan inmersos contaminantes tóxicos, que suelen ser resistentes a
tratamientos convencionales de aguas residuales, por lo que nace la necesidad de desarrollar
tecnologías eficaces para la eliminación de contaminantes recalcitrantes, por lo tanto, el esfuerzo
en investigación y desarrollo tecnológico se ha venido acrecentando. El avance en las
investigaciones sobre el efecto de los contaminantes, en las formas de vida y su incidencia en los
ecosistemas; sumado a la demanda de la sociedad por aguas de mejor calidad, se han materializado
en el desarrollo de nuevas técnicas como lo es la fotocatálisis y regulaciones cada vez más estrictas
frente a la disposición de los contaminantes en fuentes de agua.
La principal ventaja de la fotocatálisis es la posibilidad de incorporar la energía solar en la
fotoactivación del catalizador, por lo que el proceso de degradación adquiere un valor ambiental
adicional significativo y se convierte en una técnica sostenible. El uso de la luz solar en la
fotodegradación de contaminantes de aguas residuales hace, de este, un proceso económicamente
viable, en particular para aplicaciones a gran escala (Borges, Sierra, Cuevas, García, & Esparza,
2016). Adicionalmente, este proceso es de bajo costo, no tóxico, estable químicamente y de alta
fotoactividad, y se ha demostrado en aplicaciones a tratamiento de aguas residuales industriales y
lixiviados, mejorando la biodegradabilidad de compuestos orgánicos refractarios (Hassan, Zhao,
& Xie, 2016).
Las industrias ejercen sin duda, gran influencia en la economía, sin embargo, éstas han presentado
diversos problemas de contaminación, uno de ellos al recurso hídrico. Algunas industrias (textil,
papel y celulosa, química, farmacéutica, entre otras) generan grandes volúmenes de efluentes de
naturaleza principalmente refractaria esto quiere decir que contienen elementos estables
químicamente y tienen de resistir altas temperaturas sin descomponerse estas siendo superior a
general superior a 1400 ºC, aumentando el volumen de sustancias toxicas que son vertidas a los
cuerpos hídricos generando impactos sobre los ecosistemas acuáticos. Algunos efluentes
industriales contienen materia orgánica disuelta, de la cual una parte es de difícil degradación y
permanece reminiscente después del tratamiento por procesos biológicos. Las aguas residuales
coloreadas (ARC), comunes en la industria textil y alimentaria y en laboratorios, contienen
múltiples sustancias orgánicas recalcitrantes y no biodegradables (Berrío, Agudelo, & Cardona,
2012), por lo que su descarga directa sobre los ecosistemas es una fuente de contaminación con
alto impacto ambiental que puede inducir perturbaciones en la vida acuática.
Adicionalmente, la mayoría de las sustancias que componen las ARC son poco fotolizables y
poseen tiempos de vida media mayores a 2000 h cuando son expuestos a la luz solar (Sahel et al.,
14
2010). Las ARC no solo son resistentes a la oxidación biológica sino también a tratamientos
químicos convencionales como la hidrólisis ácida o básica, y, aunque los tratamientos con
adsorbentes como el carbón activado granular son eficientes para la remoción de contaminantes
orgánicos, son costosos, no degradativos y únicamente transfieren el contaminante de una fase
acuosa a una sólida, lo que demanda un tratamiento posterior (Sahel et al., 2010). Por lo tanto, es
necesaria la aplicación de tratamientos que degraden los contaminantes.
Este proyecto busca lograr la depuración de contaminantes de aguas residuales por catálisis
heterogénea mediante el estudio de la manganita de lantano dopada como fotocatalizador,
comprobando que esta es efectiva ya que además de remover fenoles como en este caso es el
Resorcinol los cueles están presentes en el agua, esta se puede combinar con otros tipos de
tratamiento para lograr mejorar la eficiencia en remoción, así como en los costos y tiempos de
depuración. Además, cabe resaltar que esta alternativa permite tratar cuerpos acuosos que
contienen compuestos orgánicos recalcitrantes, que por lo regular son moléculas de alto peso
molecular, solubles en agua y difíciles de degradar por microorganismos usado en los tratamientos
biológicos. Esta reduciría el consumo de agentes químicos en tratamientos posteriores incluidos
en los sistemas de tratamiento convencionales de aguas residuales industriales.
15
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar la actividad fotocatalítica de manganita de lantano (LaMnO3) dopada con
lantánidos (Holmio y Samario) en la eliminación de contaminantes recalcitrantes en agua.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar un estudio de la actividad fotocatalítica, evaluando las variables de pH, carga del
catalizador, DQO, tiempo de exposición y concentración del contaminante recalcitrante en
una muestra de agua sintética.
Determinar el porcentaje de descomposición de fenol alcanzado por la manganita de
lantano dopada en un determinado tiempo mediante veinticuatro pruebas fotocatalíticas.
Realizar un análisis ANOVA multifactorial, con el fin de establecer las mejores
condiciones de reacción.
16
1. ANTECEDENTES
La fotocatálisis heterogénea es una disciplina que incluye una gran variedad de reacciones:
oxidaciones suaves o totales, deshidrogenación, transferencia de hidrógeno, intercambio isotópico
de oxígeno (con O) e hidrógeno, depósito de metales, descontaminación de agua, remoción de
contaminantes gaseosos, acción bactericida, etc. Usada para descontaminación o desinfección, se
la puede considerar como una de las nuevas «Tecnologías Avanzadas de Oxidación» (TAO) para
los tratamientos de purificación de agua. (SolarSafeWater, Noviembre)
La degradación fotocatalítica o fotoquímica ha ganado importancia en el área del tratamiento de
las aguas residuales (Malato, 2009), ya que permite la mineralización de los contaminantes
presentes en los cuerpos acuosos operando en condiciones ambientales (Hemmann et al., 2007).
El término fotocatálisis define un proceso basado en la absorción de radiación por parte de una
especie fotosensible (catalizador), que permite la promoción de electrones a niveles energéticos
superiores con lo que se da origen a una secuencia de reacciones de oxidación-reducción que
eliminan las sustancias contaminantes del cuerpo acuoso (Zong y Wang, 2014). Se ha utilizado
para este propósito una amplia variedad de materiales como dióxido de titanio, óxido de cinc,
sulfuro de cadmio, óxidos de hierro y otros.
Por ende, se ha realizado una cantidad apreciable de estudios dedicados a aplicaciones de óxidos
de elementos metálicos como catalizadores de reacciones en fase gaseosa y también en fase
condensada [Kanatzidis et al., 2008]. En la actualidad el interés por la fotocatálisis se centra en
procesos como la producción de gas de síntesis y su posterior transformación en combustibles
(Civera, 2003), la producción de hidrógeno por explicitación de la molécula de agua (Simamora,
2013), la eliminación de contaminantes recalcitrantes (sustancias que no pueden ser eliminadas de
aguas residuales por tratamientos primario y secundario convencionales) (Malato,2009). Para la
eliminación de contaminantes recalcitrantes en aguas residuales, se emplea la depuración por
medio de la fotocatálisis con Oxido de titanio, este método resulta costoso por la adecuación de
cuartos o maquinaria que transmita radiación UV lo que significa que su aplicación entraña costos
de operación y mantenimiento elevados lo que hace el uso de este sólido no sea de interés en zonas
no conectadas a la red de distribución de energía.
Para el desarrollo del proyecto, se tuvieron en cuenta diferentes estudios en donde han reportado
resultados significativos en cuanto a la evaluación de la actividad fotocatalítica. Se da inicio con
el estudio realizado por Giraldo, Luis. Franco, Edwin. Arango, Jorge, titulado LA
FOTOCATÁLISIS COMO ALTERNATIVA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES, en el cual se establece de forma general el empleo de las TAO o POA
(Tecnologías o procesos de oxidación avanzada). Los autores en esta ocasión hablan sobre que los
POA consisten básicamente en la formación de radicales hidroxilos altamente oxidantes, los cuales
contribuyen a la mineralización total de los compuestos contaminantes presentes en los efluentes
industriales. Entre los procesos más utilizados se encuentra la oxidación fotocatalítica la cual
consiste en la destrucción de los contaminantes mediante el empleo de radiación solar ultravioleta
17
y catalizadores con el objeto de formar radicales hidroxilos, los cuales posteriormente tendrán un
efecto oxidante sobre los contaminantes químicos. La aplicación de la energía solar ha despertado
el interés de investigadores. Se trata del empleo de la energía solar para la eliminación de
contaminantes en aguas residuales mediante el uso de un fotocatalizador adecuado, ya que sistema
permite aprovechar directamente la energía solar que llega a la superficie de la tierra para provocar
una serie de reacciones químicas (redox) que dan lugar a la eliminación de compuestos orgánicos
en las aguas de vertidos urbanos, industriales y agrícolas y cambiar el estado de oxidación de los
metales pesados de tal forma que pasan de estar disueltos a una forma insoluble.
A continuación, se encontrará una tabla con las principales fuentes de información y los resultados
de cada investigación tenida en cuenta para la realización de este proyecto:
Tabla 1. Diferentes trabajos relacionados con la aplicación de H2O/UV en efluentes recalcitrantes.
TÍTULO DEL
PROYECTO AUTORES DESCRIPCIÓN
PRINCIPALES
RESULTADOS
EFECTO DEL
DOPAJE CON
ELEMENTOS
LANTÁNIDOS SOBRE LAS
PROPIEDADES
ÓPTICAS, ESTRUCTURALES Y
FOTOCATALÍTICAS
DE TIO2
Juan Carlos Medina
Sierra
A nivel luminiscente el dopaje con iones de
tierras raras le confiere
al TiO2 mejoras importantes, ya que las
transiciones que se
presentan dentro de los
niveles 4f (de los elementos lantánidos)
generan líneas de
emisión muy delgadas e intensas, las cuales 2
pueden ser fácilmente
escogidas de acuerdo al rango de interés para la
aplicación. Son
numerosos los estudios
realizados con el óxido de titanio dopado con
lantánidos para mejorar
las propiedades luminiscentes. Por otra
parte, el TiO2 es el
semiconductor más
utilizado en los últimos tiempos debido a que
presenta adecuadas
propiedades fotocatalíticas, es
químicamente muy
estable (aunque un poco reducible, TiO2–x),
Entre estas técnicas el dopaje con diferentes
elementos, tales como
iones de los metales de tierras raras, puede
disminuir el ancho de la
banda prohibida (Egap) del TiO2 y activarlo en
presencia de la luz
visible incluso con muy
poca iluminación. Al estudiar la
fotoluminiscencia de las
muestras dopadas con tierras raras fue posible
observar muchas
emisiones para los iones
Eu3+ y Sm3+, pero no para los iones Tb3+. El
estudio pudo comprobar
la presencia de varios sitios de emisión para el
dopaje del TiO2 con
iones Eu3+ y de tres sitios específicos para el
dopaje del TiO2 con
Sm3+.
18
tiene baja toxicidad y es
económico.
TRATAMIENTO DE AGUAS
CONTAMINADAS
CON COLORANTES MEDIANTE
FOTOCATÁLISIS
CON TIO2 USANDO LUZ ARTIFICIAL Y
SOLAR
Losada, Lis. Castillo,
Erika. Restrepo, Ederson. Galvis,
Adolfo. Palma,
Ricardo.
La fotocatálisis con
TiO2 en suspensión ha
demostrado ser eficiente en la oxidación de
sustancias por medio de
fotoactivación del catalizador con luz
artificial. El uso de la
luz solar en el proceso
reduce los costos de operación en una
aplicación a escala real
de estos residuos. Esta se evaluó por medio de
un reactor anular con
iluminación artificial
aplicando un diseño experimental Box-
Behnken, variando las
concentraciones de colorantes, TiO2 y
H2O2. Con los
resultados del primer sistema, la degradación
del residuo modelo se
llevó a cabo en un
reactor tipo Batch usando luz solar.
El sistema con luz
artificial mostró que la
concentración de
colorantes y de TiO2 fueron los factores que
influyeron
significativamente sobre la remoción del
color y la DQO; el
diseño también permitió establecer expresiones
matemáticas para la
decoloración y la
oxidación de la materia orgánica. El sistema con
luz solar, después de 3
horas de tratamiento, removió 100% del color
y 80% de la DQO. El
seguimiento a los
espectros UV-Vis durante el proceso
evidenció posible
formación de ácidos carboxílicos y posterior
mineralización. Con
base en lo anterior la fotocatálisis con TiO2 y
luz solar demostró la
capacidad degradativa
del sistema foto-catalítico para la
remediación de las
aguas cargadas con mezclas de colorantes
azoicos.
EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD
FOTOCATALÍTICA
DE LA MANGANITA DE LANTANO EN LA
ELIMINACIÓN DE
CONTAMINANTES RECALCITRANTES
EN AGUAS
RESIDUALES
Laura Jimena Cáceres
Ramírez. Cindy Camila Muñoz Caicedo.
En este proyecto se
estudió y evaluó la actividad fotocatalítica
de un sistema de
depuración de aguas contaminadas basado en
manganita de lantano
(LaMnO3) como sustancia activa para la
mineralización de
sustancias orgánicas de
prueba (Resorcinol),
De acuerdo a las
pruebas fotocatalíticas, el ensayo con mayor
porcentaje de
eliminación (73,16%) fue bajo las condiciones
de 300 ppm de
Resorcinol, 0,5 g/L de catalizador y pH 5.
Adicional a esto, el
análisis de varianza
ANOVA estableció que
19
disueltas en agua,
usando como fuente radiante luz visible,
obteniendo resultados
positivos en la búsqueda
de soluciones a las limitantes mostradas
por el dióxido de titanio
(común catalizador).
no existen diferencias
significativas entre los diferentes ensayos, lo
que indica que tanto la
carga del catalizador y
la concentración del fenol no son variables
determinantes en el
proceso, por lo tanto, el pH es el factor que
determina la eficiencia
de la actividad
fotocatalítica, siendo el pH 5,00 el valor óptimo
para el desarrollo de
esta.
TRATAMIENTO DE
EFLUENTES
INDUSTRIALES DE
NATURALEZA
RECALCITRANTE
USANDO OZONO,
PERÓXIDO DE
HIDRÓGENO Y
RADIACIÓN
ULTRAVIOLETA
Tatiana Rodríguez, Diego Botelho,
Eduardo Cleto.
Este estudio busca hacer
una revisión sobre la aplicación de procesos
oxidativos avanzados:
Ozono (O3), peróxido de hidrógeno (H2O2) y
radiación ultravioleta
(UV) para el tratamiento de efluentes
industriales de
naturaleza recalcitrante.
Se obtuvieron
eficiencias de remoción
de DQO de aproximadamente 90%
aplicando 561 mg L-1
de H2O2 con 40,8
minutos de exposición a la radiación UV. El
color se removió con
mayor rapidez en comparación con la
DQO, mientras que con
6,8 y 20,4 minutos se obtuvo 90% y total
remoción (aprox.
100%) de color,
respectivamente, aplicando 561 mg H2O2
L-1.
Fuente. Autores.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. MARCO TEÓRICO
La fotocatálisis está favorecida por muchos factores, uno de estos es la promoción de electrones
de valencia a la capa de conducción, por consiguiente el valor de energía más bajo y que está
ubicado en el espectro visible en el espectro electromagnético, con el propósito de no requerir
20
otras fuentes de luz como lo son la infrarroja o la ultravioleta, otro de los elementos más vitales es
el metal a utilizar, este tiene que tener propiedades de reconocer los electrones que se promueven
y teniendo en cuenta los espacios que se dejan en la superficie, con el objetivo de prevenir la
recombinación para que no elimine los efectos que se esperan, se da a entender que el tiempo de
vida tiene que ser alto en los electrones y en los agujeros que se forman con el fin de tener un
acompañamiento de la difusión de los contaminantes ya que la superficie facilita que el sólido
sirva cono el difusor de los contaminantes y este reaccione a su vez en la disolución.
El sólido más utilizado en la actualidad es el Dióxido de Titanio (TiO2), las investigaciones arrojan
que es un compuesto muy útil en varios de los campos de la fotocatálisis funcionando como
catalizador o como co-catalizador, la síntesis de este semiconductor y de otros se abordan tanto en
vía seca como en vía húmeda con el fin de adquirir los cationes como aniones, al determinar su
uso y la función de estos solidos de promoción energética, se busca el desarrollo de otros metales
con el fin de abordar nuevos campos y usos de estos materiales promisorios en este caso la
manganita de lantano es el indicado para experimentar en un amplio campo de acción.
La manganita de lantano tiene propiedades muy diversificadas para el uso en diferentes campos
de la ciencia, uno de sus usos, es el efecto del contenido de estroncio sobre la estructura de la
manganita y su evaluación de su actividad catalítica en la oxidación de gas licuado de petróleo
comercial, donde las capacidades fotocatalíticas de la manganita con un metal del grupo de
lantánidos o tierras raras, teniendo resultados netamente factibles para la oxidación de estos gases
(Cultid, 2017), en nuestro campo de investigación, se desea aprovechar de la estructura tipo
perovskita con el fin de deformar esta estructura con un metal en estado de oxidación igual al del
lantano, para tener una disminución de la brecha energética y produzca partículas policristalinas
que permitan usarlo en procesos de descomposición fotocatalítica de sustancias de origen orgánico
que se encuentren disueltas en el agua.
Al aprovechar estas características fotocatalíticas, se pretende optimizar esta propiedad usando un
metal en especial los lantánidos trivalentes con la idea de aprovechar sus propiedades de
trivalencia y sus radios atómicos, con el fin de disminuir la distancia entre los radios del lantano
con el metal a utilizar para disminuir esa brecha energética cambiando la configuración electrónica
y cambiando la estructura cristalina por ende la distorsión es ocasionada por el remplazo aplicado
en la sustancia.
2.2. MARCO CONCEPTUAL
2.2.1. FOTOCATÁLISIS
La fotocatálisis es una reacción fotoquímica que utiliza la energía solar y la convierte en energía
química, uno de los más claros ejemplos es la fotosíntesis, al interactuar con la superficie o el
sustrato catalizador, este se comporta como un semiconductor que acelera la velocidad de reacción,
por consiguiente se realizan reacciones químicas tanto de oxidación como de reducción logrando
así la eliminación de contaminantes en el régimen donde se está aplicando este proceso puede
21
eliminar tanto los NOx, SOx y los COVs ya que aceleran los procesos de oxidación usando la luz
solar. (Asociación Ibérica de la Fotocatálisis, 2016).
En si la fotocatálisis está implicada la combinación de procesos fotoquímicos con procesos de
catálisis, con el fin de utilizar luz y un catalizador para acelerar una reacción química, esta
descripción define a la fotocatálisis como un proceso acelerador por medio de un catalizador, el
más conocido y mayormente aplicado en los tratamientos de agua es el Dióxido de Titanio (TiO2),
este compuesto es capaz de descomponer compuestos orgánicos algunas sustancias inorgánicas,
proteínas de algunos virus y membranas celulares bacterianas, otra de sus funciones es la
eliminación del formaldehido al 90%, el benceno, el tolueno, el xileno, el amoniaco, los COV y
otros contaminantes. El funcionamiento del (TiO2), se ve en los electrones en la banda de valencia
(e-) y con el efecto de la luz ultravioleta, se excitan para pasar a la banda de conducción y los
orificios que se forman correspondientes (h+) se generan en la banda de valencia, al interactuar
con el H2O, O2, generara grupos de alta actividad tales como OH-, O2- OOH-, radicales tipo
hidroxilo iones de superóxido los cuales son compuestos que tienden a oxidar y descomponer
compuestos orgánicos como lo son los formaldehidos, bencenos, tolueno, xileno, amoniaco,
TVOC, contaminantes, bacterias y virus. (Une2.E, Ecology, 2017).
La fotocatálisis heterogénea es una de las más estudiadas en las últimas décadas con el fin de
analizar las propiedades en relación al uso de la radiación en una longitud de onda determinada
para el uso de diversas funciones, en especial enfocada a la oxidación de componentes en el agua,
formando compuestos de hidrogeno para la eliminación de compuestos orgánicos, eliminación de
bacterias y virus (Ángela Rincón, 2015).
El proceso de degradación por oxígeno, es uno de los más eficientes dentro de la naturaleza ya que
a partir del aire presente en la atmosfera y en las fuentes hídricas, los procesos de oxidación y
reducción se realzan independientemente del tipo de agua residual presente, es decir, que no tiene
una selectividad para estos procesos en este caso el oxígeno que se presenta hace que estos
procesos sean más convenientes y a su vez sean aprovechados por el medio donde se realiza la
reacción, al entrar un material que sea foto-reactiva se espera que la absorción de radiación
comience a reaccionar generando radicales libres, causando una reacción en cadena, esto genera
un ciclo en el cual las reacciones se hacen repetitivamente eliminando así los contaminantes y la
sustancia fotosensible que en este caso es el catalizador no participa en las reacciones por lo tanto
este proceso conlleva a que el compuesto fotosensible no se degrade y siga funcionando en el
proceso de degradación. (Julián Blanco, 2008)
22
Ilustración 1. Estructuras químicas del piramidil obtenidas por la degradación fotocatalítica mediante el TiO2.
Fuente. Julián Blanco, 2008.
Como lo muestra (Julián Blanco, 2008) las pruebas con piramidil, la degradación se sigue
presentando hasta la obtención de componentes cada vez más pequeños y más fáciles de
descomponer por lo tanto en los procesos de purificación de agua, son útiles para eliminar
compuestos orgánicos y en este caso contaminantes recalcitrantes.
Al ser un tratamiento terciario, requiere previamente unos tratamientos con el fin de disminuir la
carga contaminante y a su vez eliminar sedimentos que podrán afectar el desarrollo del
procedimiento, por lo tanto, se necesita adecuar cada planta o tratamiento de agua para que se
tengan unas características y/o condiciones convenientes, al tener estas variables presentes se
pueden favorecer por los siguientes parámetros:
23
● La concentración de contaminantes orgánicos en el agua está ligada a la eficiencia del
proceso, ya que al tener una alta carga de contaminantes orgánicos el proceso es menos
eficiente, por lo tanto, se aconseja que el valor a manejar sea menor a 1 g/l.
● Al ser un proceso terciario, puede contribuir con los procesos biológicos, más aún con los
contaminantes que son difíciles de eliminar como lo son los contaminantes no
biodegradables.
● Al tener una selectividad baja en el procedimiento, el manejo de sustancias peligrosas es
bien recibido en el proceso ya que puede tratar uno o más contaminantes a la vez.
● Muchos contaminantes son difíciles de remover, por esta razón la inversión para
eliminarlos es muy costosa, al contar con este método la facilidad de eliminarlos se
incremente y a su vez la disminución de costos.
● La posibilidad de encontrar subproductos ambientalmente aceptables y no generar residuos
adicionales como las otras técnicas para la depuración de aguas contaminadas. Es entonces
una técnica que se puede catalogar como ambientalmente sostenible.
Al tener otras ventajas como la utilización de este método en aguas complejas, denota que muchos
factores que se piensan como los residuos que puede dejar el tratamiento, estos residuos son
totalmente manejables y a su vez son más fáciles de disponer. Por otro lado, la utilización de la luz
solar para el método disminuye los costos ya que otros métodos necesitan de aditamentos o de
componentes especiales para que el proceso sea más eficiente.
2.2.2. FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE FOTOCATÁLISIS
Muchos de los factores que afectan el proceso de la fotocatálisis, se ven influenciados por las
características del agua a tratar y la cantidad del catalizador a utilizar y su duración, estos y otros
parámetros serán mencionados a continuación con el fin de describir las posibilidades que se
pueden presentar.
Tipo y composición del fotocatalizador
Al tener en cuenta la estructura, la composición, el área de contacto, brecha energética, tamaño de
la partícula, la estructura cristalina, la brecha energética, los contaminantes presentes en el agua a
tratar, la cantidad de radiación necesaria, el tipo de radiación y entre otros factores. Afectan no
solo la estructura química del agua a tratar, también afecta la actividad fotocatalítica, estos
parámetros afectan la actividad de los elementos semiconductores que están presentes en el
proceso, lo que implica que la eficiencia del proceso, los compuestos que se estén tratando y el
resultado que se espera obtener. Depende netamente del semiconductor a emplear dando así unos
resultados que pueden se provechosos o por el contrario inesperados. (M. Carnie, 2012)
Muchos de los procesos en especial el de adsorción sobre un sólido, son los más pertinentes en el
proceso al aprovechar el dopaje en este caso el holmio y el samario los cuales serán los principales
elementos a utilizar en el proceso.
24
Naturaleza y concentración de la sustancia a descomponer
Al tener en cuenta la estructura química del compuesto con el cual va a reaccionar se da a conocer
también la velocidad de reacción, teniendo la velocidad de reacción como un parámetro
fundamental para la selección de la molécula, (Garcés Giraldo, Luís Fernando, Mejía Franco,
Edwin Alejandro, Santamaría Arango, Jorge Julián, 2004). Teniendo en cuenta que la reacción
también depende de la sustancia en la cual se va a emplear, se debe tener en cuenta la cantidad de
contaminantes que están presentes dentro de la muestra a tratar, ya que se vuelve otro parámetro
relevante para el estudio con respecto a la molécula a utilizar.
Teniendo una gran cantidad de contaminantes en la muestra, la adsorción de la energía es menor,
pero teniendo una cantidad mínima la velocidad aumenta, en este proceso el más afectado es el
catalizador ya que este es el que recibe toda la energía, por lo tanto, se busca un punto de referencia
con el fin de tener un óptimo aprovechamiento del catalizador. (César Augusto Jaramillo Páez,
Gonzalo Taborda Ocampo, 2006).
pH del medio de reacción
Es uno de los parámetros más relevantes dentro del proceso, la formación de los grupos hidroxilos
se ven altamente relacionados con el pH alto, lo que genera una mayor eficiencia en el proceso,
por esta razón las aguas a tratar se buscan que tengan una gran cantidad de iones de hidróxido ya
que estos son los que más se ven aprovechados en el proceso de degradación.
Por otra parte, también se pueden presentar el aumento de moléculas que no permitan la entrada
de luz necesaria para la fotocatálisis, ya que afecta la carga eléctrica en la superficie de algunos
solidos lo que significa que causara una interferencia con la luz de entrada.
Carga del catalizador
La carga depende netamente de la cantidad que se necesite para el tratamiento, es decir que, al
implementar una gran cantidad de catalizador, puede generar una buena relación o al contrario
puede ser muy ineficiente, por esta razón se necesita medir la cantidad correcta para que el
catalizador no se conglomere y no se pierda el efecto de degradación.
Observando que las condiciones que se deben de tener en cuenta para que sea muy optimo el
funcionamiento de la fotocatálisis, es lo primordial para que no se presenten interferencias en el
proceso, estas interferencias se pueden dar por los cambios de pH o por la presencia de sustancias
en gran cantidad, lo que significa que pueden generar grupos químicos que en vez de acelerar el
proceso, lo que hace es desacelerar las reacciones o complicar la depuración de los elementos
deseados.
2.2.3. CONTAMINANTES RECALCITRANTES
Muchos de los contaminantes presentes en el recurso hídrico, se pueden retirar por medio de las
operaciones unitarias, pero en este caso los contaminantes recalcitrantes son un problema al final
de estos tratamientos al observar las nuevas tecnologías como lo son la ultrafiltración o la osmosis
inversa obtenemos un rechazo el cual no podemos tratar con facilidad y la problemática de estos
residuos es que no se tienen sistemas óptimos para tratarlos en este punto entra los procesos
fotocatalíticos en los cuales por reacciones químicas e interacción con la radiación se pueden
eliminar estos compuestos.
25
Son aquellos compuestos químicos que tienen una estructura muy estable químicamente, el cual
resiste el ataque de los microorganismos o de cualquier tipo de mecanismo de degradación sea
biológico o químico, (Cervantes, 2008), compuestos como los hidrocarburos, fenoles disolventes
halogenados, colorantes y compuestos aromáticos.
2.2.4. AGUA SINTETICA
Se presenta una propuesta para un sustrato para la preparación de aguas residuales sintéticas para
uso en reactores de laboratorio y prototipos. Se establecieron las características fisicoquímicas de
las aguas residuales sintéticas y se realizaron pruebas de biodegradabilidad para verificar su
comportamiento en la bioquímica de los reactores aeróbicos. Los resultados mostraron un
comportamiento similar entre las aguas residuales domésticas y el sustrato sintético propuesto.
(PAEZ, 2000).
2.2.5. FENOLES
Son compuestos orgánicos aromáticos los cuales poseen el grupo hidroxilo como su grupo
funcional, estos se encuentran naturalmente en nacimientos de agua ya que son propios del
ambiente, al asociarse con la contaminación, estos elementos tienden a formar ácidos orgánicos
los cuales se forman por procesos de descomposición natural o por la contaminación que se
presenta en la zona impactada. (HURMAN, 1985)
2.2.6. DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)
La Demanda Química de Oxígeno (DQO) determina la cantidad de oxígeno requerido para oxidar
la materia orgánica en una muestra de agua, bajo condiciones específicas de agente oxidante,
temperatura y tiempo. (PAEZ, 2000)
2.2.7. HOLMIO (Ho)
Elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Ho, su número atómico es el 67, pertenece
al grupo de los lantánidos y actinidos, su peso atómico es de 164.930 uma, fue descubierto por
Marc Delafontaine y Jacques-Louis Soret en el año 1878, observaron las bandas de absorción
espectrografícas de un elemento que para ellos era desconocido, al poco tiempo, el señor Per
Teodor Cleve también conocido como Tzinitzuni Cleve, descubre el elemento de forma oxidada,
ya que al utilizar el óxido de erbio, pudo eliminar las impurezas del material y obtuvo dos
sustancias de las cuales de estas se obtuvo el óxido de holmio y el óxido de tulio. (Wright, 2003).
Este elemento químico es estable al aire seco, pero al contacto con la humedad puede perder su
estabilidad con una gran facilidad, a su vez también puede perder su estabilidad con temperaturas
muy altas, el isotopo más conocido y estable es el Ho-165 el cual es el más presente en la
naturaleza. (Wright, 2003)
26
En la naturaleza, es toxico en grandes concentraciones afectando tanto las membranas celulares
como en el sistema nervioso, una de sus actividades al entrar en contacto con la radiación o la
longitud de onda correcta, elimina todos los componentes orgánicos presentes en el agua.
2.2.8. SAMARIO (Sm)
El samario es un elemento químico de símbolo Sm y número atómico 62. Presenta una estructura
cristalina romboedral, una masa atómica de 150,35 y una densidad de 7,35 g/cm3., El samario fue
observado espectroscópicamente por Jean Charles Galissard de Marignac, un químico suizo, en un
material conocido como didimio en 1853. Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, un científico francés,
fue el primero en aislar el samario del mineral samarskita ((Y, Ce, U, Fe)3(Nb, Ta, Ti)5O16) en
1879.
Es utilizado en muchos procesos industriales como lo son en la cerámica y en algunas reacciones
orgánicas, ya que este es utilizado como un catalizador, otra de sus propiedades, es que uno de sus
isotopos tiene una gran superficie lo que le permite una captura de neutrones amplia con el fin de
ser utilizado en casos como una barra de control o en casos de envenenamiento atómico.
Otra de sus propiedades es la interacción con campos magnéticos, ya que es utilizado como imán
de samario-cobalto para muchos de los electrodomésticos que se encuentran en los hogares y a su
vez es utilizado en los procesos de deshidratación y deshidrogenación de etanol. (Greenwood y
Earnshaw, 1997).
2.3. MARCO LEGAL
Tabla 2. Marco legal aplicado.
NORMA DESCRIPCIÓN APLICABILIDAD EN LA TESIS
Resolución
0631 de
2015
Por la cual se establecen los
parámetros y los valores límites
máximos permisibles en los
vertimientos puntuales a cuerpos
de aguas superficiales y se
dictan otras disposiciones.
Se emplearán los valores máximos permisibles
de sustancias recalcitrantes para la reducción o
eliminación de los contaminantes en las aguas
residuales.
Decreto
3930 de
2010
Por el cual se reglamenta
parcialmente el Título I de la
Ley 9ª de 1979, así como el
Capítulo II del Título VI -Parte
III- Libro II del Decreto-ley
2811 de 1974 en cuanto a usos
del agua y residuos líquidos y se
dictan otras disposiciones.
Se utiliza dentro de la investigación con el fin
de ampliar el manejo de la carga contaminante,
es decir, la disminución que se busca
industrialmente es del 80% y dentro del trabajo
se busca que cada vez este porcentaje sea más
grande, considerando así que los artículos 20,
42, 45 los cuales dictan las siguientes
consideraciones:
27
- Artículo 20: Considérese sustancias de interés
sanitario entre otras los compuestos fenólicos
mediante la Carga Máxima Permisible (CMP)
en las unidades miligramo por litro (mg/L).
- Artículo 42: Los criterios de calidad
admisibles para la destinación del recurso para
fines recreativos mediante contacto primario
para los compuestos fenólicos una CMP de
0.002 mg/L
- Artículo 45: criterios de calidad admisibles
para la destinación del recurso para
preservación de fauna y flora en aguas, para los
compuestos fenólicos una CMP de 1.0 (unidad
tóxica regulada por EPA) es decir 1.0 mg/L.
Decreto-
Ley 2811
de 1974
Por el cual se dicta el Código
Nacional de Recursos Naturales
Renovables de Protección al
Medio Ambiente.
Denota los requisitos principales y pertinentes
para la eliminación de las excretas y la
disminución de la carga contaminante en aguas
servidas en las cuales se describen en el libro
segundo, parte III, título VI, capítulo II, en el
artículo 145 en el cual dicta: cuando las aguas
servidas no puedan llevarse a sistema de
alcantarillado, su tratamiento deberá hacerse de
modo que no perjudique las fuentes receptoras,
los suelos, la flora o la fauna. Las obras deberán
ser previamente aprobadas
Resolución
1433 DE
2004
Por la cual se reglamenta sobre
los Planes de Saneamiento y
Manejo de Vertimientos, PSMV,
y se adoptan otras
determinaciones.
Se da a conocer un método de bajo costo y de
una eficiencia grande, con el fin de avanzar en
los términos del saneamiento básico aplicando
nuevos métodos.
Fuente. Autores, 2020.
28
3. METODOLOGÍA
3.1. CONSULTA BIBLOGRÁFICA
Tabla 3. Consulta bibliográfica.
PARÁMETRO IMPORTANCIA VALOR REPORTADO
CONCENTRACIÓN [ ]
La aplicación de la concentración en
definitiva es un proceso de prueba y
ensayo, al tener una actividad
fotocatalítica lo que quiere decir en
muchos casos, que las variaciones de
los contaminantes dependen de su
naturaleza, al superar los límites en este
caso de 1000 ppm, la fotocatálisis no es
un método conveniente para estas
situaciones, pero al tener un
tratamiento previo, en este caso una
dilución, este pasa a ser un método
aplicable en el tratamiento de aguas
residuales. (Reinosa, 2009).
Las concentraciones se
pueden encontrar entre 30 y
450 mg/l. pero también se
pueden encontrar situaciones
en las cuales la carga de
fenoles puede redondear entre
los 30.000 a 50.000 mg/l lo
cual se presenta en industrias
petroquímicas donde las sosas
gastadas contienen estas
concentraciones altas.
(Buitrón, et al., 2007).
CARGA DEL
CATALIZADOR
Al tener un catalizador presente, este
pude cambiar la selectividad de una
reacción química dando así un camino
diferente para favorecer o dificultar la
generación de determinados productos
finales, otro de los objetivos del
catalizador, es el aumento de la
velocidad de transformación o el
aumento de la velocidad en la reacción,
ya que al reducir la barrera energética
aumenta la facilidad de la transición de
electrones de una capa a la otra
generando así una facilidad para el
aumento de la velocidad de reacción.
(Romero, 2004).
Al tener una cantidad mayor
de catalizador, se incrementa
la actividad catalítica pero a su
vez se debe tener en cuenta,
que este sea diluido totalmente
sin tener partículas muy
aglomeradas ya que al tener
que estas partículas puede
dificultar la penetración de luz
incidente, por lo tanto, es
necesario determinar una
cantidad optima del
catalizador para cada proceso.
pH
El potencial de hidrogeno, es
fundamental para el catalizador y para
la forma química del compuesto a
degradar, este se manifiesta en las
alteraciones de la velocidad de
degradación y la tendencia a la
desactivación del catalizador, este
proceso es más eficiente en medios
ácidos entre (3 ≤ pH ≤ 5), al aumentar
el pH, disminuye la actividad
fotocatalítica y la oxidación del
compuesto y a su vez el reductor
aumenta.
Se busca que este pH se
encuentre en 3, 5 y 7 (Reinosa,
2009)
29
TIEMPO DE
RADIACIÓN
El reactivo se llevará a un fotoreactor
en vidrio y en ausencia de radiación
solar, se agitará previamente 20
minutos por medio de ultrasonido con
el fin de desvanecer todas las
aglomeraciones de reactivo y así
proporcionar adsorción.
Se establece un tiempo de 30
minutos con el fin de
determinar el tipo de reacción
que se puede presentar una
reacción de orden 0, 1, 2 o 3.
(Reinosa, 2009)
Fuente. Autores, 2020.
3.2. DISEÑO DE EXPERIMENTO
El diseño experimental cuenta con 2 variables, carga del catalizador y la concentración de cada
ensayo, teniendo en cuenta el tiempo de irradiación. Este diseño es de tipo 2n por lo tanto se
presentaron estas 2 variables, se realizó la selección de los ensayos dependiendo de la cantidad de
Resorcinol que se utilizó para cada prueba y la cantidad de manganita de lantano para cada una de
las pruebas, por lo tanto.
Tabla 4. Ensayos realizados.
Ensayo
Concentración
de Resorcinol
(ppm)
Carga del
catalizador
(gr)
Tiempo
(min)
1 200 0.025 30
2 400 0.035 30
3 200 0.025 30
4 400 0.035 30 Fuente. Autores, 2020.
3.3. EXPERIMENTO
3.3.1. VARIABLES CONSIDERADAS EN EL PROCESO
3.3.1.1. Volumen y concentración del agua contaminada
El volumen utilizado fue de 60 ml el cual, irradiado dentro del reactor con una máxima capacidad
de 60 ml, por consiguiente, las concentraciones definidas de Resorcinol a utilizar fueron de 12 ml
o 200 ppm y 24 ml o 400 ppm.
3.3.1.2. Carga del catalizador
En el caso de la carga de la Manganita de lantano (LaMnO3) dopada respectivamente con cada
lantánido, se establecieron dos valores de carga en: 0.025 g y 0.035 g con respecto a la cantidad
de Resorcinol suministrada en cada prueba
30
3.3.1.3. Tiempo de radiación
Para este se tomó en cuenta un tiempo de 30 minutos para la realización completa de la prueba,
dentro de los cuales cada 5 minutos por lo que se establecieron tiempos a los (5, 10, 15, 20, 25,
30) y luego se tomaron muestras de 5 ml, considerando así cada muestra como un ensayo, por
consiguiente, se realizó el proceso de separación del compuesto por medio de centrifugado para
tomar la lectura en el espectrofotómetro.
3.4. PREPARACIÓN DE REACTIVOS
3.4.1. PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN PATRÓN DE RESORCINOL
Disolución madre de Resorcinol (solución patrón A, 1000 ppm)
Se preparó inicialmente una disolución madre de Resorcinol pesando 0.1 g del Resorcinol en 100
ml de agua destilada. Por último, se guardó en una botella de vidrio ámbar.
Disolución intermedia de Resorcinol (solución patrón B, 100 ppm)
Esta disolución se preparó tomando 10 ml de la disolución patrón A con pipeta graduada, y se
aforó a 100 ml con agua destilada. Por último, se guardó en una botella de vidrio ámbar.
Disolución estándar de Resorcinol (solución patrón C, 10 ppm)
Se tomaron 10 ml de la disolución patrón C con una pipeta graduada, y se aforó a 100 ml con agua
destilada. Por último, se guardó en una botella de vidrio ámbar.
3.4.2. DISOLUCIONES PARA LA CURVA DE CALIBRACIÓN.
Disolución de hexacianoferrato de potasio K3[Fe (CN)6] al 8%
Se pesaron 0.8 g de hexacianoferrato de potasio en una balanza analítica los cuales se diluyeron
en 100 ml de agua destilada. Por último, se guardó en una botella de vidrio ámbar.
Disolución de 4-Aminoantipirina (4-AAP) C11H13N3O al 2%
Se pesaron 0.2 g de 4-AAP en una balanza analítica, los cuales se diluyeron en 25 ml de agua
destilada. Por último, se guardó en una botella de vidrio ámbar.
3.5. CURVA DE CALIBRACIÓN
Para poder determinar la concentración de Resorcinol por medio del método de la 4-
aminoantipirina y obtener la curva de calibración se realizó el siguiente procedimiento:
a) Se tomaron alícuotas de 1, 2, 3, 4 y 5 ml de la disolución patrón C y se aforó cada una a 10
ml con agua destilada, para de esta forma obtener disoluciones de 1, 2, 3, 4 y 5 ppm
respectivamente.
b) A cada patrón se le adicionó 0,5 ml de disolución de amoníaco 2 M; se ajustó el pH a 5 con
Ácido Sulfúrico 0.5 M
c) Posteriormente, se agitó adicionó 0,25 ml de la disolución de 4-Aminoantipirina al 2%
31
d) Luego, se agitó por 15 minutos y adicionó 0,25 ml de la disolución de hexacianoferrato de
potasio K3[Fe (CN)6] al 8%
e) Se preparó un blanco con 10 ml de agua destilada.
f) Por último, se leyó en el espectrofotómetro las muestras a una longitud de onda de 510 nm,
donde se realizó una gráfica con los datos y su regresión lineal para obtener la ecuación de
la curva.
Tabla 5. Dosificación de los reactivos para curva de calibración.
# Muestras Disolución
patrón C (ml)
H2O
(ml)
NH4OH
(ml)
4-AAP
(ml)
K3[Fe(CN)6]
(ml)
Blanco 0 10 0,5 0,25 0,25
1 1 9 0,5 0,25 0,25
2 2 8 0,5 0,25 0,25
3 3 7 0,5 0,25 0,25
4 4 6 0,5 0,25 0,25
5 5 5 0,5 0,25 0,25
Fuente. Autores, 2020.
3.6. MONTAJE DEL REACTOR
El Sistema utilizado para los ensayos fotocatalíticos, está basado en un reactor de vidrio tipo Batch
con una capacidad de 60 ml (Ilustración 2) el cual está recubierto de dos capas. Una de estas capas
es de papel aluminio en la cual cumple la función de reflejar la luz producida por el diodo
(Ilustración 3), la segunda capa está compuesta por papel fomi de color negro, el cual ayuda a que
la luz del exterior no interfiera con la luz que está dentro del reactor, dentro del reactor se encuentra
un diodo de alta potencia que transmite una luz de 395 nm de longitud de onda la cual se encuentra
en el espectro visible de la luz.
Este reactor está sujeto a un soporte universal con una nuez y unas pinzas, ya que debe estar
suspendido sobre una plancha de agitación, con el fin de introducir un agitador magnético dentro
del reactor, con el fin de mantener una agitación continúa dentro del reactor como podemos ver en
la (Ilustración 4).
32
Ilustración 2. Reactor de vidrio tipo Batch.
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 3. Reactor cubierto.
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 4. Diodo emisor de luz.
Fuente. Autores, 2020.
33
Ilustración 5. Montaje de reactor.
Fuente. Autores, 2020.
3.6.1. Ajuste de variables
Se ajustaron los parámetros durante el proceso previo a la irradiación de la sustancia, el cual se
establecieron los siguientes pasos:
a) Con una pipeta se midió la cantidad necesaria de Resorcinol a utilizar en el cual fue de 12
y 24 ml, se midió el pH que se ajustara al valor necesario que en este caso fue en un rango
de 4,00-5,00.
b) En una balanza analítica se pesó la cantidad de manganita de lantano a utilizar que en este
caso fueron de 0.025 y 0.035 g respectivamente a cada uno de los ensayos, posterior se
adicionaron en un vaso precipitado junto con la cantidad de Resorcinol propuesta para cada
concentración de manganita.
c) Se introdujo en un baño de ultrasonido la disolución mezclada con el catalizador, la cual
se sónico por un tiempo de 20 minutos, de esta manera se logra que se disgreguen las
partículas del fotocatalizador y se homogeniza la mezcla antes de irradiarla. (Ilustración 6)
34
Ilustración 6. Ultrasonido Elmasonic E 60 H.
Fuente. Autores, 2020.
3.6.2. Pruebas Fotocatalíticas
Se realizaron los siguientes pasos con el fin de ajustar las variables.
a) Al terminar el proceso de sonicación, se introdujo la solución dentro del reactor con un
agitador magnético para dar inicio al ensayo con una duración de 30 minutos.
b) A medida que avanza el experimento, se tomaron muestras de 5 ml, se realizó esta acción
cada 5 minutos con el fin de completar el tiempo estimado de 30 minutos, para después
centrifugar en tubos para centrifuga de 10 ml, en cada una de las tomas de muestra se
realizaron duplicados con el fin de tener varias medidas, de esta manera se centrifugaron
todas las muestras a 4.500 revoluciones por minuto (RPM); con el fin de separar las
partículas del catalizador queden separadas del agua para evitar turbiedad en la coloración
de las muestras. (Ilustración 7)
c) Una vez transcurridos los 10 minutos de centrifugar se tomó una alícuota de 1 ml del
sobrenadante para proceder con la reacción de coloración. (Ilustración 8)
Ilustración 7.Centrifuga DINAC II.
Fuente. Autores, 2020.
35
Ilustración 8. Sobrenadante.
Fuente. Autores, 2020.
3.6.4. Método 4-aminoantipirina (4-APP)
El método analítico usado es una modificación del planteado en el Standard Methods para la
determinación de fenoles, se basa en la reacción a pH alcalino con 4 Aminoantipirina, para su
aplicación se sigue el siguiente protocolo: Para la reacción de color entre la 4-Aminoantipirina y
los compuestos fenólicos se realizó el siguiente protocolo:
a) Luego de centrifugar y tomar 1 ml del sobrenadante, se llevó a un vaso de precipitados al
cual se le adicionaron 0,1 ml de disolución de amoníaco a 100 ppm con agua destilada;
posterior a esto se le ajustó el pH a 5,00 ± 0,1 con Ácido sulfúrico (H2SO4) disuelto en 100
ppm con agua destilada.
b) Luego de ajustar el pH a 5,00 ± 0,1 se le adicionó 0,25 ml de disolución de 4-
Aminoantipirina al 2%.
c) Posterior a esto se le adicionó 0,25 ml de disolución de Hexacianoferrato de potasio,
K3[Fe(CN)6] al 8%.
d) En seguida se completó a un volumen de 10,5 ml (volumen usado para la curva de
calibración) con agua destilada, es decir 8,5 ml aproximadamente.
e) Finalmente se llevó el vaso de precipitados a una plancha de agitación durante 5 minutos
para dar lugar a la reacción de formación del color (Ilustración 9 y 10), para luego leer
inmediatamente en el espectrofotómetro a una longitud de onda de 510 nm (Ilustración 12).
36
Ilustración 9. Reacción de color.
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 10. Reacción de color.
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 11. Lectura en espectrofotómetro.
Fuente. Autores, 2020.
37
Ilustración 12. Lectura en espectrofotómetro.
Fuente. Autores, 2020.
4. RESULTADOS
4.1. CURVA DE CALIBRACIÓN
La curva de calibración que se encuentra a continuación se realizó con el fin de validar el método analítico
en cual se utilizó una concentración de Resorcinol dada por la disolución del patrón C de Resorcinol, a la
cual se le midió la absorbancia en celdas de cuarzo de 10 mm a la longitud de onda mencionada
anteriormente y en cantidades diferentes en ml de la solución. Respecto a lo anterior, se muestran
los datos obtenidos de la absorbancia por medio de la espectrofotometría para la validación del
método.
Tabla 6. Datos pertenecientes a la curva de calibración para la validación del método analítico.
Concentración de Resorcinol (ppm) Absorbancia (510 nm)
0,1 0,087
0,2 0,150
0,3 0,201
0,4 0,258
0,5 0,310
Fuente. Autores, 2020.
Dado lo anterior, se obtiene la siguiente gráfica:
38
Gráfica No.1. Curva de calibración para la para la validación del método analítico.
Fuente. Autores, 2020.
Tabla 7. Datos obtenidos de la curva de calibración del método analítico.
Parámetro Valor
Pendiente (m) 0,554 Intercepto en el eje Y (b) 0,035 Coeficiente de correlación lineal (R²) 0,9989
Fuente. Autores, 2020.
Los datos obtenidos en la regresión lineal de la curva de calibración se utilizaron para hallar las
concentraciones correspondientes a cada uno de los valores de la absorbancia, de los cuales se
necesitó el valor de la pendiente (sensibilidad) y el intercepto en el eje Y, como lo indica la Tabla
7.
4.2. PROCEDIMIENTO
4.2.1. Efecto de la concentración de Resorcinol (C6H6O2)
Para el cálculo de la concentración residual de Resorcinol se utilizó la Ecuación No. 1, en donde
se tiene la absorbancia medida a 510 nm, dependiendo de las condiciones propuestas para cada
una de las pruebas.
[𝐶𝑅] =𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎−0.035
0.0554 Ecuación No.1
y = 0,0554x + 0,035R² = 0,9989
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 1 2 3 4 5 6
AB
SO
RB
AN
CIA
(n
m)
CONCENTRACIÓN (ppm)
CURVA DE CALIBRACIÓN
curva de calibración
Lineal (curva de calibración )
39
4.2.2. Porcentaje de eliminación del Resorcinol
Para calcular el porcentaje de eliminación de Resorcinol de cada prueba, en la muestra de análisis
se relaciona la concentración inicial (Ci) y la concentración final (Cf) como se muestra en la
ecuación No.2.
𝑃𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑛𝑜𝑙 (%) =𝐶𝑖− 𝐶𝑓
𝐶𝑖 𝑥 100 Ecuación No. 2
4.3. EFECTO CONCENTRACION VS TIEMPO A continuación, se muestran los resultados obtenidos en los las pruebas fotocatalíticas realizadas acorde al
diseño experimental. En la Tabla No.8 se presenta el resumen de los resultados del porcentaje de
eliminación Resorcinol.
Tabla 8. Porcentaje de eliminación de concentración de Resorcinol por catalizador empleado.
Fuente. Autores, 2020.
TIEMPO PORCENTAJE DE ELIMIACION (%)
Para una concentración inicial de 200 ppm-MANGANITA DOPADA CON SAMARIO 0 0 5 10,2
10 12,0 15 12,0 20 12,0 25 12,0 30 12,0
Para una concentración inicial de 400 ppm-MANGANITA DOPADA CON SAMARIO 0 0
5 62,6
10 67,6
15 68,6
20 69,0
25 70,1
30 70,4
Para una concentración inicial de 200 ppm-MANGANITA DOPADA CON HOLMIO 0 0 5 55,2
10 53,3 15 51,6 20 51,7 25 52,4 30 58,2
Para una concentración inicial de 400 ppm-MANGANITA DOPADA CON HOLMIO 0 0 5 66,2
10 70,8 15 71,7 20 74,3 25 70,8 30 72,1
40
4.3.1. MANGANITA DOPADA CON SAMARIO
En la siguiente Gráfica se muestra la relación de concentración VS tiempo de la manganita de lantano
dopada con Samario (Sm), en diferentes concentraciones y en un tiempo de 30 minutos.
Gráfica No. 2. Concentración Vs Tiempo – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Fuente. Autores, 2020.
En la Gráfica No.2 se observa la relación de las pruebas realizadas con la manganita de lantano dopada con
Samario con una concentración de Resorcinol de 200 ppm y 400 ppm, además del efecto en la disminución
de la concentración de Resorcinol durante los primeros 5 minutos de la realización de la prueba.
4.3.2. MANGANITA DOPADA CON HOLMIO
En la siguiente Gráfica se muestra la relación de concentración VS tiempo de la manganita de lantano
dopada con Holmio (Ho), en diferentes concentraciones y en un tiempo de 30 minutos.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 10 20 30 40
Con
cen
trac
ión
en
(ppm
)
Tiempo (min)
Degradación del resorsinol con respecto al tiempo
concentración de resorcinola 200 ppm ensayo No 1
concentración de resorcinola 200 ppm
concentracion de resorcinola 400 ppm
41
Gráfica No. 3. Concentración Vs Tiempo – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO.
Fuente. Autores, 2020.
En la Gráfica No.3 se observa la relación de las pruebas realizadas con la manganita de lantana dopada con
Holmio con una concentración de Resorcinol de 200 ppm y 400 ppm, además del efecto en la disminución
de la concentración de Resorcinol durante los primeros 5 minutos de la realización de la prueba.
4.4. PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE RESOLCINOL En esta sección se encontrarán los datos empleados para determinar el porcentaje de remoción del
Resorcinol según el catalizador empleado. Cabe resaltar que las casillas que tienen un color diferente debido
a la teoría de las velocidades iniciales, ya que en el tiempo de 5 y 10 minutos es donde se presenta el mayor
porcentaje de remoción de Resorcinol.
4.4.1. MANGANITA DOPADA CON SAMARIO
En la Tabla 9 se muestra los datos empleados para determinar el porcentaje de remoción de Resorcinol
empleando la manganita de lantano dopada con Samario (Sm) y posterior a esto se encuentra la gráfica que
representa los resultados obtenidos.
Para una concentración inicial de 200 ppm:
Tabla 9. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Tiempo Absorbancia Concentración [ppm] % de remoción
0 0,67 200 0
5 0,63 179,602 10,198
10 0,62 175,992 12,003
15 0,62 175,992 12,003
20 0,62 175,992 12,003
25 0,62 175,992 12,003
30 0,62 175,992 12,003
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 10 20 30 40
Con
cen
trac
ión
(p
pm
)
Tiempo (min)
DEGRADACIÓN DEL RESORSINOL CON
RESPECTO AL TIEMPO
concentración de resorcinol a200 ppm
concentración de resorcinol a400 ppm
42
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que la fila que se encuentra resaltada en color naranja la cual corresponde a los 5 minutos es
en donde se presencia la mayor actividad del catalizador.
Dado los resultados, se obtiene la siguiente Gráfica:
Gráfica No. 4. Porcentaje de remoción Resorcinol – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que, en la Grafica No. 4, la línea naranja representa el porcentaje de remoción y es donde se
puede observar que la mayor cantidad removida por la actividad fotocatalítica se da a los primero 5 minutos,
debido a que en este punto es donde el catalizador se encuentra más estable y con lo cual se logra la mayor
remoción a comparación de los otros puntos donde este pierde su efecto y el porcentaje de remoción no
varía con respecto al valor obtenido en el inicio.
Para una concentración inicial de 200 ppm:
Tabla 10. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO
Tiempo Absorbancia Concentración [ppm] % de remoción
0 0,6998 200 0
5 0,58 163,959 18,020
10 0,510 142,997 28,501
15 0,505 141,596 29,201
20 0,505 141,596 29,201
25 0,496 138,688 30,655
30 0,533 149,919 25,040
Fuente. Autores, 2020.
0
2
4
6
8
10
12
14
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
0 5 10 15 20 25 30
Porc
enta
je d
e re
moci
ón
(%
)
Con
cen
trac
ión
en
(ppm
)
Tiempo en (min)
PRIMER ENSAYO DE LA MANGANITA DE LANTANO
DOPADA CON SAMARIO Y UNA CONCENTRCIÓN
INICIAL DE 200 PPM DE RESORCINOL
concentración en ppm % de remoción
43
Es de resaltar que la fila que se encuentra resaltada en color azul la cual corresponde a los 5 minutos es en
donde se presencia la mayor actividad del catalizador.
Dado los resultados, se obtiene la siguiente Gráfica:
Gráfica No. 5. Porcentaje de remoción Resorcinol – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que, en la Grafica No. 5, la línea naranja representa el porcentaje de remoción y es donde se
puede observar que la mayor cantidad removida por la actividad fotocatalítica se da a los primero 5 minutos,
debido a que en este punto es donde el catalizador se encuentra más estable y con lo cual se logra la mayor
remoción a comparación de los otros puntos donde este pierde su efecto y el porcentaje de remoción no
varía con respecto al valor obtenido en el inicio.
Para una concentración inicial de 400 ppm:
Tabla 11. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Tiempo Absorbancia Concentración [ppm] % de remoción
0 1,3646 200 0
5 0,532 74,759 62,620
10 0,465 64,681 67,659
15 0,452 62,725 68,637
20 0,446 61,823 69,088
25 0,432 59,717 70,141
30 0,428 59,115 70,442
Fuente. Autores, 2020.
0
5
10
15
20
25
30
35
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30
Porc
enta
je d
e re
moci
ón
(%
)
Con
cen
trac
ión
en
(ppm
)
Tiempo (min)
UNA CONCENTRCIÓN INICIAL DE 200 PPM DE
RESORCINOL
concentración en ppm % de remoción
44
Es de resaltar que la fila que se encuentra resaltada en color azul la cual corresponde a los 5 minutos es en
donde se presencia la mayor actividad del catalizador.
Dado los resultados, se obtiene la siguiente Gráfica
Gráfica No. 6. Porcentaje de remoción Resorcinol – MANGANITA DOPADA CON SAMARIO.
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que, en la Gráfica No.6, la línea naranja representa el porcentaje de remoción y es donde se
puede observar que la mayor cantidad removida por la actividad fotocatalítica se da a los primero 5 minutos,
debido a que en este punto es donde el catalizador se encuentra más estable y con lo cual se logra la mayor
remoción a comparación de los otros puntos donde este pierde su efecto y el porcentaje de remoción no
varía con respecto al valor obtenido en el inicio.
4.4.2. MANGANITA DOPADA CON HOLMIO
En la Tabla 12 se muestra los datos empleados para determinar el porcentaje de remoción de Resorcinol
empleando la manganita de lantano dopada con Holmio (Ho) y posterior a esto se encuentra la gráfica que
representa los resultados obtenidos.
Para una concentración inicial de 200 ppm:
Tabla 12. Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO.
Tiempo Absorbancia Concentración [ppm] % de remoción
0 0,6998 200 0
5 0,332 89,550 55,224
10 0,345 93,261 53,369
15 0,356 96,670 51,664
20 0,355 96,470 51,764
25 0,351 95,066 52,466
30 0,312 83,433 58,283
Fuente. Autores, 2020.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30
Porc
enta
je d
e re
moci
ón
con
cen
trac
ión
en
ppm
Tiempo (min)
UNA CONCENTRCIÓN INICIAL DE 400 PPM DE
RESORCINOL
concentración en ppm % de remoción
45
Es de resaltar que la fila que se encuentra resaltada en color azul la cual corresponde a los 5 minutos es en
donde se presencia la mayor actividad del catalizador.
Dado los resultados, se obtiene la siguiente Gráfica:
Gráfica No. 7. Porcentaje de remoción Resorcinol – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO.
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que, en la Gráfica No. 7, la línea azul representa el porcentaje de remoción y es donde se
puede observar que la mayor cantidad removida por la actividad fotocatalítica se da a los primero 5 minutos,
debido a que en este punto es donde el catalizador se encuentra más estable y con lo cual se logra la mayor
remoción a comparación de los otros puntos donde este pierde su efecto y el porcentaje de remoción no
varía con respecto al valor obtenido en el inicio.
Para una concentración inicial de 400 ppm:
Tabla 13.Datos obtenidos en pruebas fotocatalíticas – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO.
Tiempo Absorbancia Concentración [ppm] % de remoción
0 1,3646 200 0
5 0,485 67,689 66,155
10 0,423 58,413 70,793
15 0,411 56,558 71,720
20 0,377 51,444 74,277
25 0,423 58,363 70,818
30 0,405 55,705 72,147
Fuente. Autores, 2020.
0
10
20
30
40
50
60
70
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 Porc
enta
je d
e re
moci
ón
(%
)
Con
cen
trac
ión
en
(ppm
)
Tiempo (min)
UNA CONCENTRCIÓN INICIAL DE 200 PPM DE
RESORCINOL
concentración en ppm % de remoción
46
Es de resaltar que la fila que se encuentra resaltada en color azul la cual corresponde a los 5 minutos es en
donde se presencia la mayor actividad del catalizador.
Dado los resultados, se obtiene la siguiente Gráfica:
Grafica No. 8. Porcentaje de remoción Resorcinol – MANGANITA DOPADA CON HOLMIO.
Fuente. Autores, 2020.
Es de resaltar que, en la Gráfica No. 8, la línea azul representa el porcentaje de remoción y es donde se
puede observar que la mayor cantidad removida por la actividad fotocatalítica se da a los primero 5 minutos,
debido a que en este punto es donde el catalizador se encuentra más estable y con lo cual se logra la mayor
remoción a comparación de los otros puntos donde este pierde su efecto y el porcentaje de remoción no
varía con respecto al valor obtenido en el inicio.
4.5. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO)
A continuación, se encuentra la determinación del parámetro ambiental de la DQO conocida como la
demanda química de oxígeno, esta se realizó para las muestras que fueron tomadas a los 5 minutos para las concentraciones de 0.025 g de manganita de lantano dopada con Holmio (Ho) y Samario (Sm)
respectivamente. Es importante resaltar que la determinación de la DQO se realizar por método de
titulación.
Ecuación para la determinación de DQO
𝐷𝑄𝑂 (𝐦𝐠 𝑶𝟐/𝐋) = (𝑨−𝑩)𝒙 𝑵 𝒙 𝟖𝟎𝟎𝟎
𝟏,𝟔 Ecuación 3
Donde:
A: Cantidad de Sulfato Ferroso Amoniacal (FAS) utilizado para la titulación del patrón.
B: ml de Sulfato Ferroso Amoniacal (FAS) utilizado para cada muestra.
N: Normalidad del FAS (0.1 N)
1,6: Valor del volumen en ml de cada muestra.
0
20
40
60
80
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 Porc
enta
je d
e re
moci
ón
(%
)
Con
cen
trac
ión
en
(ppm
)
Tiempo (min)
UNA CONCENTRCIÓN INICIAL DE 400 PPM DE
RESORCINOL
concentración en ppm % de remoción
47
Tabla 14. Determinación de valores de DQO.
MUESTRA VOLUMEN DE FAS (ml) DQO (mg O2 /L)
PATRON METODO 8,4 -
BLANCO RESORCINOL 0 4200
Manganita de lantano dopada
con Samario (Sm) 0,135 4132,5
Manganita de lantano dopada con Holmio (Ho)
0,4 4000
Diferencia con respecto al blanco DQO (mg O2 /L)
Manganita de lantano dopada
con Samario (Sm) 67,5
Manganita de lantano dopada
con Holmio (Ho) 200
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 13. Pruebas de DQO realizadas para cada compuesto.
Fuente. Autores, 2020.
Ilustración 14. Pruebas de DQO realizadas por titulación.
Fuente. Autores, 2020.
48
4.6. ANÁLISIS DE VARIANZA En esta sección se encuentra el análisis de varianza de cada una de las variables (tiempo, concentración de
Resorcinol y carga del catalizador) las cuales, dentro del programa, se denominaron como factores y cada
una está compuesta de diversos niveles.
En la Tabla No. 15 se mostrará cada una de las variables denominada como factores y a su vez se mostrarán
los niveles que posee, con el fin de entender la división que se dio en el software Minitab.
Tabla 15. Factores y niveles de cada una de las variables utilizadas en el programa Minitab versión
19.2.
FACTORES NIVELES
Concentración Resorcinol 200 400
Carga del catalizador 0,025 0,035
Cada tiempo se refiere al ensayo que se realizó para cada una de las pruebas es decir que todos
los tiempos se utilizaron en cada nivel
Tiempo 5 10 15 20 25 30
Fuente. Autores.
A continuación, se encuentra en la Tabla No. 16 las condiciones en las cuales cada uno de los
factores evaluados dentro del programa fueron manejados estadísticamente por el programa
Minitab® versión 19.2 en el que el punto de significancia es de 0.05 el cual determina si se acepta
la hipótesis nula o la hipótesis alterna dando así la significancia del factor dentro del significativo
o no el factor en el resultado.
Tabla 16. Condiciones en las cuales cada uno de los factores fueron estudiados y analizados por el
programa, con un nivel de significancia de 0,05.
Método
Hipótesis nula Todas las medias son iguales
Hipótesis alterna No todas las medias son iguales
Nivel de significancia α = 0,05
Fuente. Minitab versión 19.2.
Se presupuso igualdad de varianzas para el análisis
Cada uno de los factores posee una tabla en la cual se da la información de este teniendo en cuenta
los niveles que posee, los valores que tiene cada nivel para el estudio ANOVA.
A continuación, en las Tablas 17, 18 y 19 se mostrarán la información de cada uno de los factores:
Tabla 17. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) y los niveles que posee dentro de
estudio con sus valores respectivos.
Información del factor
Factor Niveles Valores
Concentración de Resorcinol 2 200; 400
Fuente. Minitab versión 19.2.
49
Tabla 18. Información del factor 2 (carga del catalizador) y los niveles que posee dentro de estudio con
sus valores respectivos.
Información del factor
Factor Niveles Valores
Carga del catalizador 2 0,025; 0,035
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 19. Información del factor 3 (tiempo) y los niveles que posee dentro de estudio con sus valores
respectivos.
Información del factor
Factor Niveles Valores
Tiempo 6 5; 10; 15; 20; 25; 30
Fuente. Minitab versión 19.2.
A continuación, se obtuvieron los datos del análisis de varianza de cada uno de los factores,
dándole relevancia al valor P el cual nos da la importancia del factor con respecto a los otros
factores, al ser el valor P menor que 0.05 nos quiere decir, que es relevante el factor y aceptamos
la hipótesis alterna lo que nos quiere decir que los valores medios son diferentes y a su vez teniendo
un valor F tan alto nos da la relevancia que los datos están relacionados.
A continuación, se mostrarán los análisis de varianza de cada factor en las Tablas 20, 21 y 22:
Tabla 20. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) dando el valor P.
Análisis de Varianza
Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p
Concentración de
Resorcinol
1 10831 10831,1 53,15 0,000
Error 28 5706 203,8
Total 29 16537
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 21. Información del factor 2 (carga del catalizador) dando el valor P.
Análisis de Varianza
Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p
Carga del catalizador 1 10831 10831,1 53,15 0,000
Error 28 5706 203,8
Total 29 16537
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 22. Información del factor 3 (tiempo) dando el valor P.
Análisis de Varianza
Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p
Tiempo 5 922 18,44 0,03 1,000
Error 24 16444,6 685,19
Total 29 16536,8
Fuente. Minitab versión 19.2.
50
Teniendo en cuenta cada uno de los análisis de varianza, se puede observar que dos de los factores
son relevantes y se ven relacionados directamente con los resultados arrojados, ya que el valor P
esta menor a este valor y a su vez el valor F nos refleja que tienen una relación muy alta con los
resultados para los resultados, esto solo aplica para el factor de concentración de resorcinol y para
la carga del catalizador.
Con respecto al factor tiempo, se puede decir que este no tiene una relación concreta, es decir, que
en solo los primeros 5 minutos presenta una alta remoción del contaminante que en este caso es el
resorcinol, por lo tanto el valor P se encuentra en el máximo posible y el valor F nos da muy bajo,
dando a entender que estos valores tiene que aceptar la hipótesis nula y a su vez que los datos no
se encuentran relacionados con los resultados.
A continuación, se mostrará el resumen del modelo y las medias para cada uno de los factores,
teniendo en cuenta que los resultados para la concentración del resorcinol y la carga del catalizador
son iguales y no cambian en ningún aspecto ni grafico ni en valores numéricos, por esta razón solo
presentaremos el resumen del modelo para la concentración del resorcinol y el tiempo.
Tabla 23. Resumen del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza la
misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales.
Resumen del modelo
S R-cuad. R-cuad.
(ajustado)
R-cuad.
(pred)
14,2749 65,50% 64,26% 61,28%
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 24.Medias del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza la
misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales.
Medias
Concentración
de resocinol N Media Desv.Est. IC de 95%
200 18 30,76 18,16 (23,86; 37,65)
400 12 69,542 3,049 (61,101; 77,983)
Fuente. Minitab versión 19.2.
Desv.Est. agrupada = 14,2749
Tabla 25. Resumen del factor 3 (Tiempo).
Resumen del modelo
S R-cuad. R-cuad.
(ajustado)
R-cuad.
(pred)
26,1762 0,56% 0,00% 0,00%
Fuente. Minitab versión 19.2.
51
Tabla 26. Medias del factor 3 (tiempo), se denotan cada uno de los niveles.
Medias
Tiempo N Media Desv.Est. IC de 95%
5 5 42,4 26,3 (18,3; 66,6)
10 5 46,5 25,5 (22,3; 70,6)
15 5 46,6 25,7 (22,5; 70,8)
20 5 47,3 26,4 (23,1; 71,4)
25 5 47,2 25,6 (23,1; 71,4)
30 5 47,3 27,5 (23,4; 71,7)
Fuente. Minitab versión 19.2.
Desv.Est. agrupada = 26,1762
Como se pudo observar en las tablas anteriores, tanto en la tabla 24 como en la tabla 26, en la
columna de Intervalo de Confianza de 95% muestra los rangos en los cuales se presenta la media
del porcentaje de remoción de resorcinol, es decir, que cada uno de los factores y cada nivel tiene
un rango de remoción de resorcinol y que posee una media en la cual se puede encontrar el
resultado en específico de la remoción.
Tanto en la concentración de resorcinol como en la carga del catalizador vemos que el porcentaje
de mayor remoción se presenta en los niveles más altos, es decir en 400 ppm de concentración de
resorcinol y en 0,035 g de cantidad de catalizador por lo que en las siguientes graficas muestra los
resultados significativos de la alta remoción en estos niveles.
A continuación, se presentan las gráficas de la caja de porcentaje de remoción vs la concentración
del resorcinol y el porcentaje de remoción vs la carga del catalizador, realizadas en MINITAB.
52
Gráfica No. 9. Caja de factor 1 porcentaje de remoción vs concentración de resorcinol
realizada en MINITAB.
Fuente. Minitab versión 19.2.
Gráfica No. 10. Caja del factor 2 porcentaje de remoción vs carga del catalizador realizada en
MINITAB.
Fuente. Minitab versión 19.2.
53
Como podemos observar tanto en la concentración de resorcinol como en la carga del catalizador,
los resultados arrojados, muestran que la mayor eficiencia de remoción se muestra en los valores
más altos tanto en la concentración del resorcinol como en la carga del catalizador, dándonos así
un valor medio que está señalado en la gráfica de cajas y a su vez nos da un rango de probabilidad
entre los valores de (61,101; 77,983) de remoción, lo que significa que son valores muy altos de
remoción del contaminante.
Gráfica No. 11. Caja de porcentaje de remoción vs tiempo factor 3 realizada en MINITAB.
Fuente. Minitab versión 19.2.
Con respecto al grafico de tiempo o factor 3, tenemos en cuenta que los valores de porcentaje de
remoción pueden ser muy grandes en cada uno de los tiempo, pero como la relación de este factor
con el resultado no es tan relevante, ya que al tener los resultados de la remoción, relacionándolos
con esta gráfica, no podemos tener encuentra los tiempos de 10 minutos en adelante ya que la
mayor remoción se presentó en los primeros 5 minutos, por lo tanto se realizó un estudio ANOVA
adicional con eliminar la variable de tiempo y solo tener los primeros 5 minutos como estudio.
Tabla 27. Factores y niveles de cada una de las variables utilizadas en el programa Minitab versión
19.2.
FACTORES NIVELES
Concentración Resorcinol 200 400
Carga del catalizador 0,025 0,035
Tiempo 5
Fuente. Autores.
54
A continuación, se presentarán los resultados obtenidos con respecto a los primeros 5 minutos de
cada uno de los ensayos.
Tabla 28. Condiciones en las cuales cada uno de los factores fueron estudiados y analizados por el
programa, con un nivel de significancia de 0,05.
Método
Hipótesis nula Todas las medias son iguales
Hipótesis alterna No todas las medias son iguales
Nivel de significancia α = 0,05
Fuente. Minitab versión 19.2.
Se presupuso igualdad de varianzas para el análisis
Cada uno de los factores posee una tabla en la cual se da la información de este teniendo en cuenta los
niveles que posee, los valores que tiene cada nivel para el estudio ANOVA.
A continuación, en las Tablas 29 y 30 se mostrarán la información de cada uno de los factores:
Tabla 29. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) y los niveles que posee dentro de
estudio con sus valores respectivos.
Información del factor
Factor Niveles Valores
Concentración
de Resorcinol
2 200; 400
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 30. Información del factor 2 (carga del catalizador) y los niveles que posee dentro de estudio con
sus valores respectivos.
Información del factor
Factor Niveles Valores
Carga del
catalizador
2 0,025; 0,035
Fuente. Minitab versión 19.2.
Como bien se había mostrado anteriormente, están denominados de igual forma que el primer
análisis de varianza por lo tanto la hipótesis nula y la hipótesis alterna se mantienen y a su vez los
niveles para cada factor son los mismo, considerando que en este caso el ANOVA no puede
analizar los valores del tiempo ya que solo tendría un nivel y no sería para nada representativo.
Teniendo en cuenta la misma importancia que tiene el valor P y el valor F para el estudio ANOVA,
se presentan los resultados arrojados por el programa MINITAB
A continuación, se mostrarán los análisis de varianza de cada factor en las Tablas 31 y 32:
55
Tabla 31. Información del factor 1 (concentración de Resorcinol) dando el valor P.
Análisis de Varianza
Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p
Concentración
de Resorcinol
1 1605 1605,1 4,14 0,135
Error 3 1164 387,9
Total 4 2769
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 32. Información del factor 2 (carga del catalizador) dando el valor P.
Análisis de Varianza
Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p
Carga del
catalizador
1 1605 1605,1 4,14 0,135
Error 28 1164 387,9
Total 29 2769
Fuente. Minitab versión 19.2.
Como nos podemos dar cuenta los valores tanto del valor P como del valor F, cambian ya que la
relación con el tiempo es más disminuida y a su vez son menos datos los que analiza el programa
Minitab, por esta razón se ven afectados los valores en el análisis de varianza, esto quiere decir
que tenemos que aceptar la hipótesis nula donde indica que las medias son iguales para todos los
puntos.
A continuación, se mostraran los resúmenes de los factores evaluados nuevamente en el ANOVA
teniendo en cuenta que son los resultados obtenidos analizando solo la concentración de resorcinol
y la carga del catalizador a los primeros 5 minutos de cada ensayo, por otra parte se presenta solo
un resumen y una sola tabla de medias ya que los valores son iguales para cada factor.
Tabla 33. Resumen del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza la
misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales.
Resumen del modelo
S R-cuad. R-cuad.
(ajustado)
R-cuad.
(pred)
19,6961 57,97% 43,96% 5,04%
Fuente. Minitab versión 19.2.
Tabla 34.Medias del factor 1 y 2 (concentración de Resorcinol y carga del catalizador), se utiliza la
misma tabla ya que los valores dan exactamente iguales.
Medias
Concentración
de resocinol N Media Desv.Est. IC de 95%
200 3 27,8 24,1 (8,4; 55,03)
400 2 64,39 2,50 (62,30; 66,98)
Fuente. Minitab versión 19.2.
Desv.Est. agrupada = 19,6961
56
Como podemos ver en los intervalos de confianza de 95%, se encentra un gran factor de remoción
en los valores bajos para la concentración de resorcinol y para la carga del catalizador, pero en los
valores altos se presenta un intervalo menor, pero con una capacidad de remoción más grande, lo
que quiere decir que es más efectivo la carga de catalizador más grande que la pequeña dando así
un resultado sustancial para los primeros 5 minutos dentro del reactor.
Por consiguiente, presentamos las gráficas de cajas de cada uno de los factores.
Gráfica No. 12. Caja de factor 1 porcentaje de remoción vs concentración de resorcinol
realizada en MINITAB.
Fuente. Minitab versión 19.2.
Gráfica No. 13. Caja del factor 2 porcentaje de remoción vs carga del catalizador realizada en
MINITAB.
Fuente. Minitab versión 19.2.
57
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
De las gráficas presentadas anteriormente, se puede observar que el comportamiento decrece para
cada uno de los ensayos; por lo cual se evidencia una zona de iniciación que a medida que el
tiempo transcurre se va estabilizando, por ende, la actividad de reacción es lenta y la variación de
la concentración disminuye, pero no de forma significativa, esto puede estar asociado a la teoría
de las velocidades iniciales.
De tal forma que, al realizar la descomposición del Resorcinol por fotocatálisis para cada una de
las pruebas, se obtuvieron los porcentajes de eliminación mayores haciendo uso del Holmio como
catalizador. Observando el comportamiento tanto para la manganita de lantano dopada con Holmio
y con Samario, tienen una actividad fotocatalitica alta en los primeros 5 minutos, ya que la
disminución de la concentración de Resorcinol es grande, pero muestra una desactivación después
de este lapso de tiempo lo que quiere decir, que el compuesto no es estable después de determinado
tiempo y tiende a desactivarse, lo que significa que la concentración en ese punto se mantiene
constante.
La DQO presenta una disminución mínima con respecto a la muestra patrón, lo que quiere decir
que, si hay una reducción en cuestión del contaminante, pero no es tan significativa en el proceso.
Esta variación es poco significativa lo cual se puede interpretar en dos dimensiones, en primer
lugar, los productos obtenidos por la descomposición del resorcinol no requieren de mayores
cantidades de oxígeno para su eliminación y en segundo lugar se puede suponer que la
desestabilización del solido bajo estudio tiene una influencia directa sobre este parámetro.
Teniendo en cuenta el análisis de varianza ANOVA, los datos son relevantes para el tema a tratar,
pero no son datos que se puedan proyectar, ya que son muy pocos y por lo tanto este análisis solo
sirve para nuestro proyecto.
Al observar los resultados obtenidos por las medias y los intervalos de confianza tanto en el primer
análisis ANOVA con respecto al segundo, nos damos cuenta que en el primer análisis el valor P y
el valor F fueron fundamentales para el factor 1 y 2 es decir para la concentración de resorcinol y
para la carga del catalizador, ya que fueron valores de 0 en el punto P y valores de 53,15 lo que
indica que los resultados son altamente relacionados con los factores y se acepta la hipótesis alterna
la cual dice que las medias son diferentes, mientras que el tiempo solo es significativo para los
primeros 5 minutos y acepta la hipótesis nula afirmando así que las medias son iguales y no
representa una alta diferencia en los resultados en la remoción de resorcinol.
En tanto al segundo análisis ANOVA, se tuvo en cuenta solo los primeros cinco minutos de cada
ensayo, eliminando así una variable que no tenía una alta relevancia con respecto a los demás
tiempos, pero se le da una alta connotación a las velocidades iniciales de cada ensayo, ya que fue
en este tiempo donde se presentó la mayor remoción de resorcinol. Tanto en el valor P como en el
58
valor F se vieron afectados, ya que en este caso el factor 1 y el factor 2 (concentración de resorcinol
y la carga del catalizador) aceptan la hipótesis nula y su valor F es muy bajo.
Por esta razón la falta de combinaciones dentro del proyecto, no permite definir cuál de los factores
es más relevante, pero, se puede inferir que al utilizar más catalizador la remoción será mucho
mayor.
En este momento, a la luz de los resultados obtenidos, donde se evidencia que el sólido bajo estudio
muestra actividad en la descomposición del Resorcinol, se amplia el campó de estudio con varios
sentidos. En primer lugar, como se anota en las recomendaciones, es necesario estudiar estrategias
para estabilizar la actividad toda vez que esta disminuye drásticamente al poco tiempo de uso. Para
este propósito es necesario hacer un estudio sobre la modificación de la estructura cristalina, esto
es, un conjunto de análisis usando técnicas como la difracción de rayos X, la microscopia
electrónica de barrido y la espectroscopia Raman.
En segundo término, una vez encontrada la actividad del sólido, se precisa de un estudio “On line”
de la reacción de descomposición asistido por cromatografía de gases acoplada a un detector
selectivo de masas con lo cual es posible identificar y cuantificar las especies que se producen
durante la irradiación.
Desde estas evidencias se destaca la importancia, en primer lugar, de este tipo de estudios y en
segundo lugar de la utilidad de la química en la dimensión ambiental. En atención a lo anterior, en
las recomendaciones se sugiere realizar los dos estudios antes mencionados, con lo que se traza
una línea de trabajo interdisciplinar
Por último, el proyecto de investigación se interesó por la evaluación de la actividad fotocatalítica
de la manganita de lantano dopada en una primera instancia con Holmio y en una segunda con
Samario. Cuando se propuso, no se tenía reporte de este comportamiento con lo que, el estudio es
de tipo exploratorio.
59
6. RECOMENDACIONES
El cuidado con el pH para cada prueba de coloración, es primordial lo que se aconseja que este entre 4,50
y 5 de pH para mantener así una correlación entre la lectura en 510nm y no presente variaciones en la
lectura.
Todos los elementos de la práctica de laboratorio deben estar totalmente limpios no deben tener ningún
contaminante o alguna sustancia que pueda interferir con la coloración y con la lectura de las muestras ya
que pueden interferir con la lectura en el espectrofotómetro.
Los intervalos de tiempo entre cada una de las muestras debe ser lo menor posible, es decir después de
centrifugar se debe realizar rápidamente la coloración y la medición, ya que al transcurrir el tiempo la
muestra va cambiando de color y va cambiando el resultado en el espectrofotómetro, otra opción es
mantener todas las muestras en zonas con poca luz que la entrada de luz sea la más mínima y a su vez
cuando se realice la coloración de cada muestra se midan todas al mismo tiempo.
Para el análisis ANOVA debemos tener en cuenta la mayoría de combinaciones de cada una de las variables
a manejar, ya que al tener un resultado y al tener varios niveles o categorías, podemos tener un análisis más
profundo y con una mayor facilidad de proyección hacia otros experimentos y a su vez tendremos una mejor
fiabilidad en el análisis ANOVA.
Se recomienda mirar las características químicas de cada compuesto ya que la función de este en los
primeros 5 minutos demuestra que funciona y después de este tiempo se desactiva, lo que quiere decir que
es el trabajo de un químico seguir investigando para poder estabilizar el compuesto y mirar sus
características y la formación de un compuesto más eficiente, con el fin de disminuir la carga del catalizador
y que este a su vez siga funcionando por más tiempo.
60
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