Reactor de plasma basado en magnetrón-pulverización catódica utilizado para la preparación de los fotoelectrodos de óxido de titanio codopado con nitrógeno y tungsteno. Crédito:My Ali El Khakani, INRS
La atrazina es uno de los pesticidas más utilizados en América del Norte. Investigadores del Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) han desarrollado un nuevo método para degradarlo que combina un nuevo material nanoestructurado y la luz solar.
La atrazina se encuentra en todo el medio ambiente, incluso en el agua potable de millones de personas en todo el país. Los tratamientos de agua convencionales no son efectivos para degradar este pesticida. Los procesos más nuevos son más efectivos, pero utilice productos químicos que puedan dejar subproductos tóxicos en el medio ambiente.
Profesor My Ali El Khakani, un experto en materiales nanoestructurados, y el profesor Patrick Drogui, especialista en electrotecnología y tratamiento de aguas, han unido fuerzas para desarrollar un nuevo proceso de degradación ecológica de la atrazina que sea lo más libre de químicos posible. "Al trabajar de forma sinérgica, pudimos desarrollar un proceso de tratamiento de agua que nunca hubiéramos podido lograr por separado. Este es uno de los grandes valores añadidos de la interdisciplinariedad en la investigación, "dice el profesor El Khakani, autor principal del estudio, cuyos resultados se publican hoy en la revista Catálisis hoy .
Los investigadores utilizan un proceso existente, llamado fotoelectrocatálisis o PEC, que han optimizado para la degradación de la atrazina. El proceso funciona con dos fotoelectrodos (electrodos sensibles a la luz) de cargas opuestas. Bajo el efecto de la luz y un potencial eléctrico, genera radicales libres en la superficie de los fotoelectrodos. Estos radicales interactúan con las moléculas de atrazina y las degradan. "El uso de radicales libres es ventajoso porque no deja subproductos tóxicos como lo haría el cloro. Son altamente reactivos e inestables. Como su vida es muy corta, tienden a desaparecer rápidamente, "explica el profesor Drogui, quien es coautor del estudio.
Los desafíos de los materiales
Para hacer fotoelectrodos (electrodos sensibles a la luz), El profesor El Khakani eligió el óxido de titanio (TiO 2 ), un material que es muy abundante, químicamente estable, y se utiliza en muchas aplicaciones, incluido el pigmento blanco en pinturas o protectores solares. Generalmente, este material semiconductor convierte la energía luminosa proporcionada por los rayos UV en cargas activas. Para aprovechar todo el espectro solar, es decir, luz visible además de UV, El profesor El Khakani tuvo que hacer que las películas de TiO2 fueran sensibles a la luz solar visible. Para tal fin, su equipo modificó el óxido de titanio a escala atómica incorporando átomos de nitrógeno y tungsteno mediante un proceso de plasma. Este dopaje reduce la energía fotónica necesaria para activar la PEC en estos nuevos fotoelectrodos.
Dado que el proceso PEC es realmente un fenómeno de superficie, el tratamiento de un gran volumen requiere una gran superficie de fotoelectrodos. Para esto, El equipo del profesor El Khakani aprovechó las ventajas de nanoestructurar la superficie de los fotoelectrodos. "En lugar de tener una superficie plana, imagina esculpirlo a nanoescala para crear valles y montañas. Esto aumenta la superficie activa disponible sin cambiar la superficie física. A esto se le llama nanoestructuración. Por lo tanto, la superficie activa aumenta artificialmente varios miles de veces en comparación con la superficie física. Con 1 g de material, superficies activas entre 50 y 100 m 2 se puede lograr, se trata de la superficie de un apartamento, "dice el profesor El Khakani.
Nueva eficiencia de procesos y sus límites
Una vez que los fotoelectrodos se desarrollaron e integraron en un reactor PEC, El equipo del profesor Drogui optimizó el proceso. Su equipo utilizó por primera vez muestras de agua desmineralizada a la que se añadió atrazina. El PEC con el fotoelectrodo eliminó aproximadamente el 60 por ciento del pesticida después de 300 minutos de tratamiento. Los investigadores luego pasaron a muestras reales de agua recolectadas del río Nicolet (QC, Canadá) cerca de áreas de agricultura intensiva de maíz y soja donde a menudo se utilizan herbicidas.
Al usar muestras de agua reales, sólo el 8 por ciento de la atrazina se degradó inicialmente. Este bajo porcentaje se debe a la presencia de partículas en suspensión que impiden que gran parte de la luz llegue al fotoelectrodo. Además, las especies presentes en la solución pueden adherirse al electrodo reduciendo así su área activa. Aprovechando su experiencia en descontaminación de agua, El equipo del profesor Drogui realizó pretratamientos basados en la coagulación y filtración de ciertas especies antes de volver a aplicar el enfoque PEC. Luego lograron degradar del 38 al 40 por ciento de la atrazina en las muestras reales.
La eficiencia del tratamiento sigue siendo relativamente baja en comparación con el agua sintética porque el agua real contiene bicarbonatos y fosfatos que atrapan los radicales libres y evitan que reaccionen con la atrazina. "El pretratamiento por coagulación química ayuda a eliminar los fosfatos, pero no bicarbonatos. Se podría agregar calcio para precipitarlos, pero queremos minimizar el uso de productos químicos, "dice el profesor Drogui.
Según los autores, su nuevo PEC optimizado podría utilizarse como tratamiento terciario, después de eliminar las partículas en suspensión y las especies coagulables. Sin embargo, Se requiere una etapa de demostración preindustrial antes de pensar en el uso a gran escala. Finalmente, su proceso se ha utilizado para degradar la atrazina, pero los dos equipos continúan trabajando juntos para abordar otros contaminantes emergentes y residuos de antibióticos en el agua.
