UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA UNIDAD DE INVESTIGACION DE LA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA INFORME FINAL DE INVESTIGACION TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTE DE LA INDUSTRIA TEXTIL MEDIANTE FOTOCATALISIS SOLAR HETEROGENEA AUTOR: PABLO BELIZARIO DIAZ BRAVO PERIODO DE EJECUCIÓN: Del 01 de enero del 2015 al 31 de diciembre del 2016 Resolución de aprobación N R CALLAO-2016

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3 INDICE I INDICE PAG. 1.1 Índice de tablas Índice de figuras 6 II RESUMEN 8 Abstract 9 III INTRODUCCION Exposición del problema de investigación Importancia y justificación de la investigación 14 IV MARCO TEORICO La industria textil Colorantes Colorantes sintéticos Pigmentos Estructura química de colorantes Colorante directo rojo escarlata Tratamiento de aguas residuales Fotocatálisis 24 1

4 V MATERIALES Y METODOS Materiales Metodología Determinación de la longitud de onda del colorante rojo escarlata Caracterización de las aguas residuales Caracterización fisicoquímica del fotocatalizador Experimentos de adsorción de colorantes 33 VI RESULTADOS Caracterización fisicoquímica del fotocatalizador Determinación de la longitud de onda del colorante rojo escarlata Determinación de la curva de concentración del colorante Cinética de reacción sin fotocatalizador Cinética de reacción con fotocatalizador ZnO Determinación del efecto de la concentración del fotocatalizador 43 VII DISCUSION Caracterización fisicoquímica del fotocatalizador Determinación de la longitud de onda del colorante rojo escarlata Obtención de la curva de concentración del colorante Estudio cinético sin fotocatalizador 48 2

5 7.5 Estudio cinético de degradación de colorante con fotocatalizador Efecto de la concentración del fotocatalizador ZnO Conclusiones 52 VIII REFERENCIALES 53 IX APENDICES 57 X ANEXOS 71 3

6 ÍNDICE DE TABLAS PAG. TABLA N 4.1: Concentración de color y cantidad de agua generada por algunas industrias. 22 TABLA N 4.2: Efecto del efluente de una industria textil sobre la calidad del cuerpo receptor. 23 TABLA N 4.3: Metales típicos encontrados en colorantes 23 TABLA N 6.1: Concentración del colorante y absorbancia en muestras de 20, 30, 40 y 50 ppm de solución coloreada, sin usar catalizador 41 TABLA N 6.2: Concentración del colorante y absorbancia en muestras de 20, 30, 40 y 50 ppm de solución coloreada, con 100 mg/100 ml de catalizador ZnO 41 TABLA N 6.3: Resultados de la concentración del colorante en función del tiempo de reacción, sin utilizar fotocatalizador, para las muestras que contienen 20, 30, 40 y 50 ppm de colorante. 42 TABLA N 6.4: Resumen de resultados de la reacción del colorante en función del tiempo durante sin utilizar fotocatalizador, para las muestras que contienen 20, 30, 40 y 50 ppm. 43 TABLA N 6.5: Resultados de concentración del colorante en función del tiempo de reacción utilizando 100 mg/ml. de fotocatalizador para muestras que contienen 20, 30, 40 y 50 ppm de colorante. 44 TABLA N 6.6: Resumen de resultados de la reacción del colorante en función del tiempo utilizando 100 mg/ml de fotocatalizador ZnO, para las muestras que contienen 20, 30, 40 y 50 ppm de colorante rojo escarlata 45 TABLA N 6.7: Resumen de resultados de la reacción del colorante en función del tiempo utilizando 100 mg/ml de fotocatalizador ZnO, para las muestras que contienen 20, 30, 40 y 50 ppm de colorante rojo escarlata 45 TABLA N 6.8: Resultados de concentración del colorante en función del tiempo de reacción utilizando 100, 200, 300 y 400 mg/ml de fotocatalizador, para muestras que contienen 50 ppm de colorante. 46 4

7 TABLA N 7.1: Parámetros cinéticos de la reacción fotocatalitica de degradación del colorante directo rojo escarlata 50 TABLA N 9.1: Cálculo de los resultados del proceso fotocatalitico solar (tabla N 6.6) ln(co/c) del colorante rojo escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm en función del tiempo 67 TABLA N 9.2: Cálculo de los parámetros cinéticos de la reacción fotocatalitica solar del colorante rojo escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm 70 TABLA N 10.1: Potenciales de oxidación de diferentes especies 72 TABLA N 10.2: Matriz de consistencia 74 5

8 INDICE DE FIGURAS PAG. FIGURA N 4.1: Esquema de un proceso de teñido y acabado de una industria textil. 17 FIGURA N 4.2: Reacción del grupo reactivo con los grupos en la superficie de la tela. 19 FIGURA N 4.3: Estructuras químicas de algunos colorantes comúnmente empleados en la industria textil 20 FIGURA N 4.4: Estructura química del colorante rojo escarlata 224, F2G 21 FIGURA N 4.5: Esquema de formación del par redox en una partícula del semiconductor 25 FIGURA N 4.6: Potencial redox de diversos semiconductores. La escala de energía está indicada en electrón voltio usando electrodo normal de hidrogeno (NHE) 26 FIGURA N 6.1: Imágenes de microscopia electrónica en dos regiones aleatorias de la muestra (región 1 y región 2) 37 FIGURA N 6.2: Medición de tamaño de partículas en 4 regiones aleatorias de la muestra (imágenes a 6000X) 38 FIGURA N 6.3: Espectro de absorción de distintas soluciones del colorante direct rojo escarlata. Se observa un valor maximo de longitud de onda aproximadamente de 520 nm. 39 FIGURA N 6.4: Muestras de solución de colorante direct rojo escarlata de 20, 30, 40 y 50 ppm 40 FIGURA N 7.1: Grafica de ln(co/c) en función del tiempo de reacción para cada muestra. 49 FIGURA N 7.2: Grafica de ln(co/c) en función del tiempo de reacción para muestras que contienen 100, 200, 300 y 400 ppm de fotocatalizador Zn O 51 FIGURA N 9.1: Materiales de laboratorio y reactivos utilizados en el experimento 59 FIGURA N 9.2: Equipos de laboratorio utilizados en el experimento 60 6

9 FIGURA N 9.3: Reporte de análisis de calibración del colorante Rojo Escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm sin catalizador ZnO. 61 FIGURA N 9.4: Curva de calibración: Absorbancia en función de la Concentración del colorante Rojo Escarlata a COncentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm sin catalizador ZnO. 62 FIGURA N 9.5: Reporte de análisis de calibración del colorante Rojo Escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm con catalizador ZnO 63 FIGURA N 9.6: Curva de calibración, Absorbancia en función de la Concentración del colorante Rojo Escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm con catalizador ZnO 64 FIGURA N 9.7: Resultados del proceso fotocatalitico del colorante Rojo Escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm sin catalizador ZnO. 65 FIGURA N 9.8: Resultados del proceso fotocatalitico del colorante Rojo Escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm con catalizador ZnO 66 FIGURA N 9.9: Representación exponencial de C/Co en función del tiempo de la reacción fotocatalitica solar del colorante rojo escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm en función del tiempo 68 FIGURA N 9.10: Regresión lineal de ln(co/c) de la reacción fotocatalitica solar del colorante rojo escarlata a concentraciones de 20, 30, 40 y 50 ppm en función del tiempo 69 FIGURA N 10.1: Tamizado del catalizador óxido de zinc 73 7

10 II RESUMEN La industria textil peruana, cuenta con una larga tradición, reconocida por la calidad de sus fibras naturales, que le ha permitido penetrar mercados exigentes y conocedores, generando a su vez un sinnúmero de empleos directos e indirectos. Sin embargo, los trabajos de investigación referentes al tema indican que esta industria genera una gran cantidad de agua residual con elevadas concentraciones de colorantes, contaminantes inorgánica y orgánica que se consideran persistentes que no pueden removerse con los métodos convencionales de tratamiento de aguas, debido a su origen y las estructuras complejas que presentan. En este trabajo, el tratamiento de colorantes en aguas residuales provenientes de la industria textil ha sido estudiado mediante la reacción fotocatalítica del colorante directo Rojo Escarlata, usando como fotocatalizador el óxido de zinc (ZnO) y como fuente de radiación fotonica, la luz solar, en un reactor batch a nivel de laboratorio. Se ha demostrado que el óxido de zinc, es un excelente fotocatalizador en el proceso fotocatalitico. La disminución en la concentración del colorante fue seguida mediante un espectrofotómetro UV y muestra una cinética de pseudo-primer orden, con una constante cinética promedio de 22,15 min -1 y constante de equilibrio de absorción promedio K igual a 0, Los resultados muestran que el proceso de fotocatálisis solar heterogénea usando ZnO como fotocatalizador es una técnica muy efectiva para la degradación de colorantes en aguas de efluentes textiles. También, se observó que a medida que la concentración del colorante aumenta o en soluciones de concentraciones elevadas de fotocatalizador, la cinética de reacción disminuye. La cantidad optima de fotocatalizador ZnO por cada 100 ml de solución resulto de 200 mg y para que la velocidad de reacción sea la más alta, la concentración optima del colorante debe ser de 20 ppm. Palabras claves: fotocatálisis solar, colorante rojo escarlata, fotocatalizador, óxido de zinc, textiles. 8

11 ABSTRACT The Peruvian textile industry has a long tradition, recognized by the quality of its natural fibers, which has allowed it to penetrate demanding and knowledgeable markets, generating in turn an endless number of direct and indirect jobs. However, research on the subject indicates that this industry generates a large amount of wastewater with high concentrations of dyes, inorganic and organic pollutants that are considered to be persistent that can not be removed by conventional water treatment methods, due to Their origin and the complex structures they present. In this work, the treatment of dyes in waste water from the textile industry has been studied by the photocatalytic reaction of the direct dye Red Scarlet, using as photocatalyst zinc oxide (ZnO) and as a source of photonic radiation, sunlight, In a batch reactor at the laboratory level. It has been shown that zinc oxide is an excellent photocatalyst in the photocatalytic process. The decrease in dye concentration was followed by a UV spectrophotometer and shows a pseudo-first-order kinetics, with an average kinetic constant of min-1 and an average absorption equilibrium constant K of The results show that the process of heterogeneous solar photocatalysis using ZnO as a photocatalyst is a very effective technique for the degradation of dyes in waters of textile effluents. Also, it was observed that as the concentration of the dye increases or in solutions of high concentrations of photocatalyst, the reaction kinetics decrease. The optimum amount of photocatalyst ZnO per 100 ml of solution resulted in 200 mg and for the reaction rate to be the highest, the optimum concentration of the dye should be 20 ppm. Keywords: solar photocatalysis, scarlet red dye, photocatalyst, zinc oxide, textiles. 9