Influencia del tiempo y concentración del colorante marrón estándar para generar energía eléctrica durante su degradación fotocatalítica en bioceldas galvánicas

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. Q. uí. m. ica. ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL. ía. INFLUENCIA DEL TIEMPO Y CONCENTRACIÓN DEL COLORANTE. ni. er. MARRÓN ESTÁNDAR PARA GENERAR ENERGÍA ELÉCTRICA DURANTE. In. ge. SU DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA EN BIOCELDAS GALVÁNICAS. de. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE:. te. ca. INGENIERO AMBIENTAL. Autor(es):. Br. VALVERDE DIAZ, JAZURY EUGENIA. Bi. bl. io. Br. MENDOZA VILLANUEVA, CARLOS RONY. Asesor: Dr. AGUILAR QUIROZ, CROSWEL EDUARDO. TRUJILLO – PERÚ 2018. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. Q. uí. m. ica. ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL. er. ía. INFLUENCIA DEL TIEMPO Y CONCENTRACIÓN DEL COLORANTE. ni. MARRÓN ESTÁNDAR PARA GENERAR ENERGÍA ELÉCTRICA DURANTE. In. ge. SU DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA EN BIOCELDAS GALVÁNICAS. de. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE:. te. ca. INGENIERO AMBIENTAL. Autor(es):. Br. VALVERDE DIAZ, JAZURY EUGENIA. Bi. bl. io. Br. MENDOZA VILLANUEVA, CARLOS RONY. Asesor: Dr. AGUILAR QUIROZ, CROSWEL EDUARDO. TRUJILLO – PERÚ 2018. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. m. ica. JURADO CALIFICADOR. uí. Dr. Nelson W. Farro Pérez. de. In. ge. ni. er. ía. Q. Presidente. Ms. Alfredo Cruz Monzón. Bi. bl. io. te. ca. Secretario. Dr. Croswel E. Aguilar Quiroz Asesor. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA A Dios Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.. ica. A mis padres. m. Irma y Abdías, quienes a lo largo de mi vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo momento.. uí. Siendo el gran ejemplo a seguir y destacar, no solo para mí,. Q. sino para mis hermanos y familia en general. Sin ellos, jamás. er. ía. hubiese podido conseguir lo que hasta ahora.. ni. Al Dr. Croswel Aguilar Quiroz. ge. Por su apoyo y motivación a lo largo de este tiempo en la que. In. ha puesto a disposición sus conocimientos y capacidades en el. de. desarrollo de esta tesis, la cual se ha finalizado con éxito.. Por su apoyo y tiempo compartido en el laboratorio durante el desarrollo de esta tesis.. Bi. bl. io. te. ca. Al Sr. Jorge Alcántara Castillo. Rony Mendoza Villanueva. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia I2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA A Dios Por brindarme fortaleza, su infinita bondad y amparo desde siempre.. A mis padres. ica. Ana y Paulino, porque con todo su esfuerzo, incondicional apoyo, comprensión, consejos, valores y confianza me. m. alentaron durante mi formación profesional con lo cual he. uí. llegado a realizar una de la más grande de mis metas, la cual. ía. Q. constituye la herencia más valiosa que pudiera recibir.. er. A mis hermanas. ge. ni. Estefany y Deyse por su apoyo, confianza y consejos.. In. Al Dr. Croswel Aguilar Quiroz. de. Por el inmenso apoyo, cariño y confianza que en mi depósito y que he recibido durante este tiempo, por los consejos que. ca. contribuyeron a mi formación profesional y personal que han. superación y éxitos sin fin, para devolver el apoyo brindado, y la mejor de las ayudas que puede haber, ahora más que nunca se acredita mi cariño, admiración y respeto.. Bi. bl. io. te. quedado caladas, viviere siempre agradecida prometiendo. Al Sr. Jorge Alcántara Castillo Por brindarme su confianza, amistad incondicional, consejos, apoyo.. Jazury Valverde Diaz. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licenciaII2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. Expresamos nuestro agradecimiento a la Universidad Nacional de Trujillo por su acogida durante el desarrollo de nuestra carrera profesional. Especial agradecimiento al Grupo de Investigación del Laboratorio de Catálisis,. ica. Adsorbentes y Materiales de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo por habernos apoyado incondicionalmente haciendo posible la realización de. uí. m. esta investigación.. Q. A nuestro asesor Dr. Croswel Aguilar Quiroz por brindarnos la oportunidad de pertenecer. ía. a la gran familia del Laboratorio de Catálisis, Adsorbentes y Materiales además de su. er. apoyo, paciencia, enseñanzas, amistad, experiencia y consejos que posibilitaron el logro. ni. de esta primera meta, la culminación de esta investigación; sabiendo que no existirá una. ge. forma de agradecerle, queremos que sienta que el objetivo logrado también es de usted y. In. que la fuerza que nos ayudó a conseguirlo fue su apoyo incondicional.. de. Al Sr. Jorge Alcántara Castillo, técnico del Laboratorio de Catálisis, Adsorbentes y. ca. Materiales, por su amistad sincera, confianza y su apoyo incondicional en esta etapa. io. brindados.. te. y a los miembros del laboratorio, por todos los conocimientos, sugerencias y consejos. Bi. bl. A los docentes de la Universidad Nacional de Trujillo, por las enseñanzas y consejos los cuales contribuyeron a nuestra formación académica en la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental.. III2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DEDICATORIA ......................................................................................................................I DEDICATORIA ..................................................................................................................... II AGRADECIMIENTO ........................................................................................................... III ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................... VI RESUMEN ..............................................................................................................................X ABSTRACT ........................................................................................................................... XI INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 1 1.1.. ica. I.. Objetivos ................................................................................................................ 9. m. 1.1.1. Objetivo general ........................................................................................... 9. uí. 1.1.2. Objetivos específicos .................................................................................... 9 II. MATERIALES Y MÉTODO ........................................................................................ 10 Materiales y equipos ............................................................................................ 10. Q. 2.1.. ía. 2.1.1. Materiales................................................................................................... 10. 2.2.. er. 2.1.2. Equipos....................................................................................................... 10 Procedimiento experimental ................................................................................ 12. ni. 2.2.1. Degradación fotocatalítica del colorante ................................................... 12. ge. 2.2.2. Medición de la energía generada ............................................................... 13. In. 2.2.3. Diseño de los experimentos ........................................................................ 14 2.2.4. Análisis estadístico ..................................................................................... 14. de. III. RESULTADOS .............................................................................................................. 15 Influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica ............................... 15. 3.2.. Influencia de la concentración del colorante marrón estándar en la generación de energía eléctrica .............................................................................................. 16. 3.3.. Influencia de la dosificación del peróxido de hidrógeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐) en la generación de energía eléctrica .............................................................................................. 17. 3.4.. Influencia de la dosificación del óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎) en la generación de energía eléctrica ................................................................................................................ 18. bl. io. te. ca. 3.1.. Bi. IV. DISCUSIÓN .................................................................................................................. 19 4.1.. Influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica. .............................. 19. 4.2.. Influencia de la concentración del colorante marrón estándar en la generación de energía eléctrica .............................................................................................. 21. 4.3.. Influencia de la dosificación del peróxido de hidrógeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐) en la generación de energía eléctrica .............................................................................................. 24. 4.4.. Influencia de la dosificación del óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎) en la generación de energía eléctrica ................................................................................................................ 26. 4.5.. Análisis estadístico ............................................................................................... 28 A. Annova ............................................................................................................ 28. IV2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. B. Minitab 17.0 .................................................................................................... 28 V. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 29 VI. RECOMENDACIONES................................................................................................ 29 VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 30 ANEXOS ............................................................................................................................... 35 ANEXO 1. Tablas de resultados de la influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica. ........................................................................................ 36. ica. ANEXO 2. Tablas de resultados de la influencia de la concentración del colorante marrón estándar en la generación de energía eléctrica ............................ 38. m. ANEXO 3. Tablas de resultados de la influencia de la dosificación del peróxido de hidrógeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐) en la generación de energía eléctrica .......................... 41. uí. ANEXO 4. Tablas de resultados de la influencia de la dosificación del óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎) en la generación de energía eléctrica .............................................. 47. Q. ANEXO 5. Resultados de análisis de varianza de un factor ......................................... 50. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. ANEXO 6. Análisis estadístico Minitab 17.0 ................................................................ 52. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licenciaV2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.Diagrama esquemático que muestra la generación de especies oxidativas en un estudio fotocatalítico. (Adaptado de Rauf y Salman,2009)............................. 3 Figura 2.Reacciones de oxidación en el ánodo y de reducción en el cátodo (Adaptado de He, et al.,2015).............................................................................................. 7 Figura 3.Sistema de degradación del colorante y la generación de energía eléctrica. ... 11. ica. Figura 4.Solución anódica y catódica en la degradación fotocatalítica del colorante. .. 13 Figura 5.Resistencia de 30 µΩ para la medición de energía eléctrica. ......................... 13. uí. m. Figura 6.Sistema para medir la generación de energía eléctrica durante la degradación fotocatalítica del colorante. ......................................................................... 14. Q. Figura 7.Influencia del tiempo en la generación de intensidad de corriente. ................ 15. ía. Figura 8.Influencia de la concentración del colorante, en la generación de intensidad de corriente en el tiempo. ................................................................................. 16. ni. er. Figura 9.Influencia de la dosificación de peróxido de hidrógeno, en la generación intensidad de corriente en el tiempo. ........................................................... 17. ge. Figura 10.Influencia de la dosificación de óxido de zinc, en la generación de intensidad de corriente en el tiempo. ............................................................................ 18. de. In. Figura 11.Diagrama esquemático del proceso de fotodegradación del colorante marrón estándar.(Adaptado de Banerjee, et al.,2015). .............................................. 20. ca. Figura 12.Diagrama esquemático del proceso de fotocatalítico iniciado por el fotón que actúa sobre el semiconductor.(Adaptado de Pereira, et al., 2016). ................ 27. te. Figura 13.Influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica en milivoltios. . 37. io. Figura 14.Influencia de la concentración del colorante en la generación de energía eléctrica en el tiempo. ................................................................................. 40. Bi. bl. Figura 15.Influencia de la dosificación de peróxido de hidrógeno en la generación de energía en el tiempo. ................................................................................... 46 Figura 16.Influencia de la dosificación de óxido de zinc en la generación de energía en el tiempo. .................................................................................................... 49 Figura 17.Ecuación de regresión del tipo lineal. ......................................................... 52 Figura 18.Efectos principales de la variable tiempo en la generación de energía. ........ 53 Figura 19.Efectos principales de las variables tiempo y concentración de colorante.... 54 Figura 20.Comportamiento de la concentración de colorante. a través del tiempo. ...... 55. VI2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 21.Comportamiento de las variables tiempo y dosificaciones de peróxido. ...... 56 Figura 22.Comportamiento de las dosificaciones de peróxido a través del tiempo. ..... 57 Figura 23.Comportamiento de las variables tiempo y dosificaciones de óxido de zinc.57. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Figura 24.Comportamiento de las dosificaciones de óxido de zinc a través del tiempo. ................................................................................................................... 57. VII2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Niveles utilizados para 200 mL de agua destilada.¡Error!. Marcador. no. definido. Tabla 2. Fotodegradación del colorante marrón estándar a un intervalo de tiempo de 225 minutos para la generación de energía en microamperios (µA). ..................... 36. ica. Tabla 3. Fotodegradación del colorante marrón estándar a un intervalo de tiempo de 225. m. minutos para la generación de energía en milivoltios (mV). ........................... 36 Tabla 4. Fotodegradación del colorante marrón estándar a diferentes concentraciones en. Q. uí. el tiempo para la generación de energía en microamperios (µA). ................... 38 Tabla 5. Fotodegradación del colorante marrón estándar a diferentes concentraciones en. er. ía. el tiempo para la generación de energía en milivoltios(mV). .......................... 39. ni. Tabla 6. Fotodegradación del colorante marrón estándar en el tiempo para la generación. ge. de energía en microamperios(µA) a diferentes dosificaciones de peróxido de. In. hidrógeno.. .................................................................................................... 41 Tabla 7. Fotodegradación del colorante marrón estándar en el tiempo para la generación. de. de energía en milivoltios(mV) sin adición de peróxido de hidrógeno. ............ 42. ca. Tabla 8. Fotodegradación del colorante marrón estándar en el tiempo para la generación de energía en milivoltios(mV) con adición de 1 mL de peróxido de hidrógeno.. io. te. ...................................................................................................................... 43. bl. Tabla 9. Fotodegradación del colorante marrón estándar en el tiempo para la generación. Bi. de energía en milivoltios(mV) con adición de 2 mL de peróxido de hidrógeno. ...................................................................................................................... 44. Tabla 10. Fotodegradación del colorante marrón estándar en el tiempo para la generación de energía en milivoltios(mV) con adición de 4 mL de peróxido de hidrógeno. ...................................................................................................................... 45 Tabla 11. Fotodegradación del colorante marrón estándar a diferentes dosificaciones de óxido de zinc en el tiempo para la generación de energía en microamperios(µA). ...................................................................................................................... 47. VIII2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 12. Fotodegradación del colorante marrón estándar a diferentes dosificaciones de. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. ZnO en el tiempo para la generación de energía en milivoltios. ..................... 48. IX2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN En el presente trabajo, se estudió la generación de energía mediante la degradación fotocatalítica del colorante marrón estándar, a diferentes concentraciones, en un intervalo de tiempo. El sistema consistió de bioceldas donde se producen reacciones de oxidaciónreducción, ambas conectadas por una membrana de acetato de celulosa. Los experimentos. ica. se realizaron en bioceldas a las cuales se adicionaron soluciones de marrón standard a diferentes concentraciones, peróxido de hidrógeno, óxido de zinc y finalmente fueron. m. expuestos a la luz solar por un tiempo predeterminado. El sistema se completa con un. Q. uí. circuito que tiene dos electrodos de grafito, conectados a un multitester para medir la intensidad de corriente que se generó. Los resultados mostraron que, la mayor generación. er. ía. de energía fue de 7.05 microamperios, bajo las siguientes condiciones: 250 mg⁄L del. ni. colorante marrón estándar, 2 mL de peróxido de hidrógeno y 0.4 g de óxido de zinc. El. ge. análisis estadístico, indica que hay influencia de cada variable en la generación de energía.. Bi. bl. io. te. ca. de. In. Palabras claves: Biocelda, degradación fotocatalítica, colorante, energía eléctrica.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licenciaX2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT In the present work, the generation of energy by means of the photocatalytic degradation of the standard brown dye, at different concentrations, in a time interval was studied. The system consisted of biocells where oxidation-reduction reactions are produced, both connected by a cellulose acetate membrane. The experiments were carried out in biocells,. ica. to which standard brown solutions were added at different concentrations, hydrogen. m. peroxide, zinc oxide and finally they were exposed to sunlight for a predetermined time.. uí. The system is completed with a circuit that has two graphite electrodes, connected to a. Q. multitester to measure the current intensity that was generated. The results showed that,. ía. the highest power generation was 7.05 microamperes, under the following conditions:. er. 250 mg⁄L of standard brown dye, 2 mL of hydrogen peroxide and 0.4 g of zinc oxide.. ge. ni. The statistical analysis indicates that there is influence of each variable in the generation. In. of energy.. Bi. bl. io. te. ca. de. Keywords: Biocell, photocatalytic degradation, dye, electricity energy.. XI2.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I. INTRODUCCIÓN El desarrollo de la industria está conectado de manera generalizada con la generación de un gran número de diversos contaminantes presentes en los efluentes; y su descarga sin ningún tratamiento previo son perjudiciales para el medio ambiente, peligrosos para la. ica. salud humana, y difíciles de degradar por medios naturales. (Zhao, et al.,1998).. m. La descarga de estos efluentes en el medio ambiente es una fuente de contaminación y. uí. produce subproductos peligrosos por oxidación, hidrólisis, u otras reacciones químicas. Q. que tienen lugar en las aguas residuales o cuerpos de agua receptores (Bahnemann W., et. ía. al.,2007) generando un desequilibrio ecológico en el medio ambiente con repercusión en. er. la salud humana (Muthirulan P., et al.,2012).. ge. ni. Los procesos avanzados de oxidación (POA) se convierten en una opción atractiva para la degradación de compuestos orgánicos de efluentes (Zangeneh, et al.,2015). El POA se. In. basa en la generación in situ de especies transitorias muy reactivas como por ejemplo,. de. OH − ,O⦁ para la mineralización de compuestos refractarios orgánicos, agentes patógenos. ca. del agua y subproductos de desinfección (Esplugas, et al.,2002; Pera-Titus, et al.,2004).. io. te. Rauf y Salman,(2009) clasifican a los procesos de oxidación avanzada en:. bl. A. Procesos basados en radiación ultravioleta (UV) (Alnaizy y Akgerman,2000; Bragg,. Bi. et al.,2012; Cisneros,et al.,2002), UV/H2 O2 , UV/ozono, UV/Fenton, UV/ ultrasonido, UV/microondas (Vinu, et al.,2010) y al ultravioleta visible (VU/Vis).. B. Procesos basados en peróxido de hidrógeno, que incluye H2 O2 + UV, Fenton: H2 O2 +Fe2+ /Fe3+ , Fenton: H2 O2 + Fe2+ -solido/Fe3+ - sólido y foto-Fenton: H2 O2 +Fe2+ / Fe3+ + UV) (Al Momani, et al.,2004; Bali, et al.,2004; Esplugas, et al.,2002; Faouzi,. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia12.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. et al.,2006, Hadavifar, et al.,2010; Karci, et al.,2012; Saritha, et al.,2009; Rauf y Salman,2009). C. Procesos basados en ozono como la ozonización, foto-ozonización, ozonización + Catálisis (Gataullin, et al.,2002; Konsowa, 2003; Konsowa, et al.,2010; Latifoglu y Gurol,2003).. m. et al.,2003; Gupta, et al.,2006; Venkatachalam, et al.,2007).. ica. D. Procesos fotocatalíticos que utiliza a catalizadores TiO2 , ZnO, CdS, etc. (Daneshvar,. Q. uí. El proceso fotocatalítico tiene ventajas considerables sobre algunas tecnologías existentes porque destruye los contaminantes sin necesidad de transferirlos a otra fase (por ejemplo,. ía. adsorción con carbón activado, burbujeo de gas, etc.).Puede usar agentes oxidantes como. ni. er. H2 O2 , O3 . (McCullagh, et al.,2010).. ge. La fotocatálisis emplea como catalizadores a óxidos semiconductores: TiO2 , ZnO,. In. Fe2 O3 , GaP, CeO2 , ZrO2 , WO3 , etc.; sulfuros: CdS, ZnS, etc. y otros como CdSe, CdTe.. de. Estos compuestos han demostrado su eficacia en la degradación de una amplia gama de. te. Portela R.,2008).. ca. compuestos orgánicos. (Chong, et al.,2010; Junwu, et al.,2006; Tayade, et al.,2009;. io. La fotocatálisis se basa principalmente en la generación de radicales hidroxilo (OH •). Bi. bl. como un agente muy reactivo que puede oxidar un amplio espectro de materias orgánicas en el agua de forma rápida y no es selectivo. (Ljubas,2005). Además utiliza la radiación solar y/o ultravioleta para la excitación del 𝑒 − del semiconductor, promoviéndolos de la banda de valencia (BV) a la banda de conducción (BC) (Rauf y Salman, 2009; Vignesh, et al.,2012).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia22.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Como resultado de esto, se genera un par electrón-agujero en la banda de valencia (BV),. Q. uí. m. ica. tal como se muestra en la Figura 1.. er. ía. Figura 1.Diagrama esquemático que muestra la generación de especies oxidativas en un estudio fotocatalítico. (Adaptado de Rauf y Salman,2009).. (1 ). ni. catalizador + hv → e− bc + h+ bv. ge. Donde, e− bc y h+ bv son los electrones en la banda de conducción (BC) y la vacante de. In. electrones en la banda de valencia (BV), respectivamente. Estas entidades pueden migrar. de. a la superficie del catalizador, donde interactúan con las especies químicas de interés. ca. mediante reacciones Redox. En la mayoría de casos el h+ bv pueden reaccionar fácilmente. te. con H2 O para producir radicales • OH, mientras que el e− bc reacciona con el O2 para. Bi. bl. io. producir un superóxido, anión radical de oxígeno. (Rauf y Salman,2009). H2 O + h+ bv → • OH + H +. (2). O2 + e− bc → O2 − •. (3). Esta reacción evita la combinación del electrón y el agujero que se produce en el primer paso. El • OH y O2 − • producidos en las ecuaciones (2) y (3) reaccionan con el colorante para formar otras especies y es por lo tanto que ocurre la decoloración del mismo. (Rauf y Salman,2009).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia32.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. O2 − • + 2H2 O → 2H2 O2. (4). H2 O2 → 2 • OH. (5). • OH + colorante → colorante ox. (6). colorante + ebc − → colorante red. (7). ica. En general en el semiconductor se produce la transferencia de los electrones de la banda. m. de conducción (BC) hacia las moléculas aceptoras que están en su superficie, mientras. uí. que las moléculas oxidantes o dadoras ceden electrones a los agujeros de la banda de. ía. Q. valencia (BV).. er. El semiconductor como catalizador, tiene la propiedad de acelerar la velocidad de. ni. reacción en procesos termodinámicamente posibles; participa en la reacción y no se. ge. consume. (Chekir, et al.,2012).. In. Los criterios de elección de un semiconductor para procesos fotocatalíticos se basan en. de. su selectividad, actividad catalítica, insolubilidad, toxicidad y estabilidad en el tiempo en. ca. el medio de reacción. (Chekir, et al.,2012).. te. De los diferentes semiconductores que se utilizan para la fotocatálisis el TiO2 y ZnO son. io. los más estudiados por su alta fotosensibilidad, estabilidad química y no toxicidad.. Bi. bl. (Marto, et al.,2009).. El ZnO es considerado como una alternativa al TiO2 , debido a sus propiedades optoelectrónicas, catalíticas y fotoquímicas, además de su bajo costo. (Muthirulan, et al.,2012).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia42.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La aplicación de ZnO en la fotocatálisis para degradar componentes orgánicos han sido investigados por: Bansal y Sud,(2011), quienes degradaron el colorante reactivo, Porción Blue HERD (PBH), utilizando TiO2 y ZnO en presencia de luz UV. Evaluaron la variación del pH (210), la concentración de colorante (10-100 ppm), y la concentración del fotocatalizador. ica. (0.5- 2 gL−1 ). El 100% del colorante se degradó a pH 7 y 1 gL−1 con ZnO y pH 4 y 1,5. uí. m. gL−1 con TiO2 proponiendo que el ZnO es una alternativa al TiO2 en presencia de UV.. Q. Pare, et al.,(2008), investigaron la degradación fotocatalítica del colorante, Naranja. ía. Acridina con ZnO, observando que la velocidad de degradación del colorante aumentó. ge. ni. agentes tensioactivos catiónicos y aniónicos.. er. con la adición de peróxido de hidrógeno y persulfato; y disminuyo por presencia de. Modirshahla, et al.,(2011), indicaron que, el Acid Yellow 23(AY23) es degradado. In. utilizando sistemas, UV / ZnO y UV / (ZnO + SnO2 ). Determinaron que el grado de. de. decoloración fue una función del tiempo de exposición, el pH y la cantidad de. ca. fotocatalizador. La eficiencia del proceso aumentó con la concentración del catalizador,. te. el pH, la intensidad de la radiación UV; así como de la porosidad del SnO2 .. bl. io. Trabajos de degradación fotocatalítica utilizando ZnO también se han realizado en el. Bi. Laboratorio de Catálisis, Adsorbentes y Materiales, de la Facultad de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Trujillo. Saguma T. y Vidal W.,(2012), trabajaron la Degradación del Anaranjado de Metilo con radiación solar en presencia de ZnO, concluyendo que se alcanzó el 100% de degradación del anaranjado de metilo, cuando las concentraciones del ZnO estuvieron en el rango de (20 - 50) ppm, a diferentes tiempos de exposición. La intensidad de la radiación solar influyó directamente en la degradación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia52.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. del colorante, siendo una función, principalmente, de la relación concentración colorante/catalizador. Quiroz A. y Romero D.,(2015), investigaron la influencia de las adiciones de quebracho, melamina, tanino sintético (utilizados en las curtiembres), en la degradación de los colorantes Negro 3NB, Marrón Standard y Pardo oscuro, por fotocatálisis en presencia. ica. de ZnO y H2 O2 .Observaron que el incremento de estos aditivos en concentraciones. m. mayores a 6 gL−1 evitan que el colorante sea fotodegradado. Por lo tanto, la naturaleza de. Q. uí. la interacción colorante-aditivo influye en la fotodegradación del colorante.. ía. La necesidad de minimizar el impacto ambiental que ocasiona el uso de los combustibles. er. fósiles, ha originado la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Las energías renovables. ni. son una alternativa limpia y sustentable, que se generan a partir de fuentes como el sol, el. ge. viento, las plantas, el agua y la tierra; siendo sus formas: la energía hidráulica, solar,. In. eólica, geotérmica, del hidrógeno, oceánica y de la biomasa.. de. Dentro de las alternativas, una forma de energía renovable propuesta de mucho interés,. ca. es la que se genera en las bioceldas, en la cual la energía química almacenada en la. te. biomasa es transformada en energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas y. io. bioquímicas. Las reacciones de oxidación se producen en el ánodo, de reducción en el. Bi. bl. cátodo y la semiceldas conectadas por una membrana de intercambio catiónico (PEM). La oxidación libera electrones, que se desplazan hacia el cátodo a través del circuito externo generando electricidad. El circuito se completa cuando las cargas de compensación pasan de una semicelda a la otra a través del electrolito en forma de iones positivos como se muestra en la Figura 2. (Pérez y Rodríguez,2014).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia62.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Resistencia externa 𝑒− 𝑒− 𝑒−. 𝑒−. 𝐶+. 𝐶𝑂2 + 𝐴−. MEMBRANA PEM. CÁTODO REDUCCIÓN. uí. ÁNODO OXIDACIÓN. m. ica. Materia orgánica. Q. Figura 2.Reacciones de oxidación en el ánodo y de reducción en el cátodo (Adaptado de. ía. He, et al.,2015).. er. Los electrodos que se utilizan en las bioceldas deben ser conductores electrónicos. ge. ni. químicamente estables en el medio de reacción, como Pt, C, entre otros. El material más. In. versátil es el carbón como electrodo y se puede utilizar en diferentes formas. Debe tener una elevada área superficial y porosidad, para evitar obstrucciones. (Cañizares P., et. de. al.,2013).. ca. Los electrodos de grafito han sido ampliamente utilizados para la remoción orgánica. te. debido a su bajo costo. Tienen una superficie grande y contribuyen a la atenuación de la. bl. io. contaminación a través de la combinación entre adsorción y degradación electroquímica.. Bi. Tiene una alta eficiencia de corriente en comparación con otros electrodos. La oxidación es dominada principalmente por radicales activos hidroxilo de oxígeno físicamente adsorbidos, estos radicales hidróxilos causan la destrucción completa de la materia orgánica. (Sundarapandiyan, et al.,2010). Los sustratos son importantes, ya que sirven como nutriente y fuente de energía. La eficacia y viabilidad económica de la conversión de residuos orgánicos a bioenergía. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia72.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. dependen de las características y componentes del material de desecho (Pant, et al.,2010).Se ha investigado la generación de energía eléctrica en bioceldas utilizando aguas residuales domésticas (Fangzhou, et al.,2011; Rodrigo, et al.,2007), provenientes de la industria cervecera (Wen, et al.,2009), del procesamiento de almidón (Lu, et al., 2009) y alimentos (Jafari, et al.,2013), lixiviados de vertederos (Puig, et al.,2011), entre. ica. otros.. m. Topcagic y Minteer,(2006), utilizaron una biocelda, que empleó alcohol deshidrogenasa. uí. para oxidar etanol en el ánodo y reducir el oxígeno de la bilirrubina oxidasa en el cátodo.. Q. Esta celda de biocombustible etanol/oxígeno tuvo una vida activa aproximada de 30 días,. er. ía. obteniéndose una densidad de potencia máxima de 0,46 mW/cm2 .. ni. En el Laboratorio de Catálisis, Absorbentes y Materiales de la Universidad Nacional de. ge. Trujillo, se han realizado investigaciones sobre la generación de energía eléctrica a partir. In. de sustratos orgánicos y compuestos utilizando bioceldas galvánicas, adicionándole. de. diferentes agentes o catalizadores, los cuales se pueden mencionar, como:. ca. Urtega L. y Zavaleta A., (2013), estudiaron la degradación del almidón, utilizando como. te. catalizador la peroxidasa, obtenida del extracto de nabo, en combinación con H2 O2 para. io. la generación de energía eléctrica en bioceldas con electrodos de grafito. Los resultados. bl. mostraron que el H2 O2 permite la activación de la enzima peroxidasa. Así mismo, el. Bi. sistema se inhibe cuando hay exceso de almidón y/o de H2 O2 . Se logró un máximo voltaje de 63.6 mV con las condiciones de 0.5 g de almidón, 2 mL de H2 O2 , 10 mL de extracto de nabo y 70 mL de agua, se logró un máximo voltaje de 63.6 mV. Huamán Arqueros (2014), estudió la generación de energía eléctrica a partir de la descomposición anaeróbica de la cáscara de mandarina en bioceldas. Los resultados mostraron que al aumentar la cantidad de H2 O2 se incrementó la generación de energía. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia82.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. alcanzando un valor máximo de 400 mV. Se requirió inicialmente, la presencia de oxígeno para generar las reacciones que generen energía. El incremento de la cantidad de cáscara de mandarina en el sistema aumentó la generación de energía, obteniendo un promedio máximo de 225 mV. En la revisión bibliográfica, no se ha encontrado trabajos para obtener energía eléctrica,. ica. usando la combinación de procesos, como la degradación de colorantes por fotocatálisis,. uí. m. acoplado a una biocelda.. Q. La presente investigación, se muestra como una propuesta para la degradación de la. ía. materia orgánica, como los colorantes, y la generación de energía, utilizando la. er. combinación de procesos los cuales pueden realizarse en forma simultánea y es. ni. precisamente materia de investigación del presente trabajo.. In. ge. Por ello se proponen los siguientes objetivos:. de. 1.1. Objetivos. ca. 1.1.1. Objetivo general. te. Obtener energía eléctrica en una biocelda durante la degradación. bl. io. fotocatalítica del colorante marrón estándar.. Bi. 1.1.2. Objetivos específicos  Determinar la influencia del tiempo en la producción de energía durante la degradación del colorante marrón estándar.  Determinar la influencia de la concentración del colorante Marrón Estándar para la generación de energía.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia92.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. II. MATERIALES Y MÉTODO 2.1. Materiales y equipos. 2.1.1. Materiales  Colorante: El material estudiado es el colorante marrón estándar obtenido. ica. de la curtiembre Lizberth S.A.C., ubicada en el Parque Industrial de. m. Trujillo, La Libertad, Perú, dedicada al curtido y adobo de pieles de ovino.. uí. La composición química del colorante es de confidencialidad comercial. Q. que la empresa prefiere mantener en reserva.. ía.  Óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎): Es un compuesto inorgánico, blanco e insoluble en. ni. er. agua. En la presente investigación es usado como un catalizador de las. ge. reacciones Redox que se originan en el proceso de degradación del colorante y la generación de energía. El ZnO utilizado es de grado técnico.. de. In.  Peróxido de Hidrogeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐 ): También llamada agua oxigenada, es conocido por ser un poderoso oxidante, el cual participa dentro del proceso. ca. de degradación del colorante. El H2 O2 utilizado está en una concentración. te. de 30 V⁄V.. io.  Membrana: material de acetato de celulosa de naturaleza hidrofílica que. Bi. bl. permite gran capacidad de transferencia de flujos electrónicos.. 2.1.2. Equipos  1 Balanza analítica (OHAUS sensibilidad +/- 0.0001g, capacidad 210 g)  6 Multitester Digital.. 102.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación.  Sistema para la degradación del colorante y la generación de energía: Depósito de forma cuadrada que fueron acondicionados para funcionar como bioceldas, tal como se muestra en la Figura 3.. Electrodos de grafito. 2. Membrana PEM. 3. Multitester Digital. m. Semicelda. 3. 5. 5. Semicelda. er. ía. 1. Q. uí. 4. ica. 1. de. In. ge. 4. ni. 2. Bi. bl. io. te. ca. Figura 3.Sistema de degradación del colorante y la generación de energía eléctrica.. 112.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.2. Procedimiento experimental. 2.2.1. Degradación fotocatalítica del colorante Se prepararon las siguientes soluciones de acuerdo a las variables estudiadas. a. Tiempo. ica. - A 400 mL de agua destilada se añadió 0.1 g del colorante marrón estándar para conseguir la concentración de 250 ppm.. m. - Se adicionó 0.4 g de óxido de zinc (ZnO) tanto en la semicelda 4A, así. Q. uí. como en la 4B.. er. ía. b. Concentración de colorante. ni. - A 400 mL de agua destilada se añadió 0.04 g del colorante marrón. ge. estándar para conseguir la concentración de 100 ppm.. In. - Se colocó 200 mL de la solución de colorante de 100 ppm tanto en la. de. semicelda 1A, así como en la 1B. (ver Figura 6). c. Dosificación de peróxido de hidrógeno (H2 O2 ). ca. - Se realizó el mismo procedimiento, cuando se desarrollaron ensayos,. te. pero añadiéndose 2 mL y luego 4 mL de H2 O2 .. bl. io. d. Dosificación de óxido de zinc (ZnO). Bi. - A 400 mL de agua destilada se añadió 0.1 g del colorante marrón estándar para conseguir la concentración de 250 ppm.. Se colocó en cada semicelda un electrodo de grafito, como se muestra en la Figura 4.. 122.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Luego, las celdas junto con los electrodos de grafito fueron expuestos a la luz solar por un tiempo de entre 0 a 225 minutos.. 4A. SOLUCIÓN ANÓDICA = Solución de colorante + óxido de zinc + peróxido de hidrógeno.. 4B. SOLUCIÓN CATÓDICA = Solución de colorante + óxido de zinc. ica. 4B. Q. uí. m. 4A. er. ía. Figura 4.Solución anódica y catódica en la degradación fotocatalítica del colorante.. ge. ni. 2.2.2. Medición de la energía generada. In. El sistema para medir la generación de energía se muestra en la Figura 5 y 6. de. donde se observa que, de un electrodo fue conectado un multitester de 3. Bi. bl. io. te. ca. dígitos donde se realizó la medición el amperaje (µA). Figura 5.Medición de energía eléctrica.. 132.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2B. 1B. 3A. 2A. 1A. ía. Q. uí. m. ica. 3B. er. Figura 6.Sistema para medir la generación de energía eléctrica durante la degradación. ge. 2.2.3. Diseño de los experimentos. ni. fotocatalítica del colorante.. In. Se realizó un diseño de experimentos con los siguientes factores:. de. concentración del colorante, tiempo de exposición al sol, concentración de. ca. H2 O2 y ZnO .. te. Se construyó un diseño factorial 33 con 3 repeticiones para cada combinación,. bl. io. las cuales serán analizadas en el siguiente ítem.. Bi. 2.2.4. Análisis estadístico Se utilizó la técnica estadística de Análisis de Varianza (ANOVA), es una metodología de análisis estadístico que se refiere a la actividad de comparar los valores promedio de una población.. 142.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. III. RESULTADOS 3.1. Influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica Se estudió la influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica, mediante la degradación fotocatalítica del colorante marrón estándar en bioceldas, por un periodo de 0 a 225 min. Se midió la generación de energía (intensidad de corriente. ica. en µA). m. Los resultados que se obtuvieron se muestran en la Figura 7 y Tabla 2 (Anexo. uí. 1).. Q. 8.00. ía er ni. 6.00. ge. 5.00. In. 4.00 3.00. de. Intensidad de Corriente (µA). 7.00. ca. 2.00. te. 1.00 0.00. 50. 100. 150. 200. 250. Tiempo (min). bl. io. 0. Bi. Figura 7.Influencia del tiempo en la generación de intensidad de corriente.. Se observa en la Figura 7 que, la intensidad de corriente se incrementó desde 3.34 µA (tiempo (t) = 0 minutos) hasta 7.05 µA (t = 225 minutos), mostrando un incremento lineal con el tiempo de exposición, es decir, existe una relación directamente proporcional.. 152.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.2. Influencia de la concentración del colorante marrón estándar en la generación de energía eléctrica Se estudió la influencia de la concentración del colorante marrón estándar, en tres niveles: 100, 250 y 500 ppm, para la generación de energía eléctrica. Los resultados que se obtuvieron, de la degradación, a diferentes concentraciones. ica. de colorante se muestran en la Figura 8 y Tabla 4 (ver Anexo 2) en µA.. m uí. 7.00. Q. 6.00. er. ía. 5.00 4.00. ni. Intensidad de Corriente (µA). 8.00. ge. 3.00. In. 2.00. 0.00 15. 30. 45. ca. 0. de. 1.00. 60. 75. 90. 105 120 135 150 165 180 195 210 225. Tiempo (min). io. te. Figura 8.Influencia de la concentración del colorante, en la generación de intensidad de corriente en el tiempo.. Bi. bl. Se observa en la Figura 8 que, durante los 225 minutos ocurrió un incremento. constante en la intensidad de corriente, la cual se presentó de la siguiente manera: -. Para 100 ppm del colorante, se obtuvo valores entre 2.28 a 3.90 µA.. -. Para 250 ppm del colorante, se obtuvo valores entre 3.34 a 7.05 µA.. -. Para 500 ppm del colorante, se obtuvo valores entre 2.86 a 5.12 µA.. 162.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.3. Influencia de la dosificación del peróxido de hidrógeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐 ) en la generación de energía eléctrica Se estudió la influencia del H2 O2 en la generación de energía mediante la degradación fotocatalítica del colorante marrón estándar. Se realizaron ensayos con y sin adición de H2 O2. ica. Los resultados que se obtuvieron, en µA y a diferentes dosificaciones de peróxido. m. de hidrógeno, se muestran en la Figura 9 y Tabla 6 (ver Anexo 3).. uí. 4.00. Q ía. 3.00. ni. er. 2.50. ge. 2.00 1.50. In. Intensidad de Corriente (µA). 3.50. de. 1.00. 0.00. ca. 0.50. 15. te. 0. 30. 45. 60. 75. 90. 105 120 135 150 165 180 195 210 225. Tiempo (min). Bi. bl. io. Figura 9.Influencia de la dosificación de peróxido de hidrógeno, en la generación intensidad de corriente en el tiempo.. Los resultados que se presentan en la Figura 9 muestran que la generación de energía varía en función de las diferentes dosificaciones de H2 O2 , obteniéndose. lo siguiente: - Sin H2 O2 , se obtuvo valores entre 0.29 a 1.13 µA. - Para 1 mL de H2 O2 , se obtuvo valores entre 0.85 a 2.35 µA. - Para 2 mL de H2 O2 , se obtuvo valores entre 1.17 a 3.86 µA.. 172.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. - Para 4 mL de H2 O2 , se obtuvo valores entre 0.50 a 1.88 µA. 3.4. Influencia de la dosificación del óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎) en la generación de energía eléctrica Se estudió la influencia del ZnO en la generación de energía mediante la degradación fotocatalítica del colorante. Se realizaron ensayos adicionando 0.2,. ica. 0.4, 0.8 y 1.2 g de ZnO.. m. En la Figura 10 y Tabla 11 (ver Anexo 4) se presentan los resultados obtenidos,. uí. en ensayos con diferentes dosificaciones de ZnO (desde 0.2 hasta 1.2 g) y sin. er. ía. 4.00. ni ge. 3.00. In. 2.50. de. 2.00 1.50. te. ca. Intensidad de Corriente (µA). 3.50. 1.00. Q. adición de peróxido de hidrógeno, en µA.. io. 0.50 0.00. Bi. bl. 0. 15. 30. 45. 60. 75. 90. 105 120 135 150 165 180 195 210 225. Tiempo (min). Figura 10.Influencia de la dosificación de óxido de zinc, en la generación de intensidad de corriente en el tiempo.. La Figura 10 muestra el comportamiento del incremento de la dosificación de óxido de zinc, en la solución, para la obtención de energía eléctrica (µA),. 182.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. IV. DISCUSIÓN 4.1. Influencia del tiempo en la generación de energía eléctrica. Los resultados de la Figura 7 mostraron que, existe una relación directamente proporcional entre la generación de energía (µA) y el tiempo. Es decir, mientras se incrementa el tiempo se incrementa la generación de energía.. ica. El incremento en la generación de energía se debe a las reacciones de oxidación -. m. reducción que se produjeron en las bioceldas mediante la fotodegradación del. Q. uí. colorante en el tiempo.. ía. El diagrama esquemático del mecanismo de la fotodegradación del colorante se. er. presenta en Figura 11. Este fenómeno presenta que, cuando una molécula. ni. semiconductora (ZnO) absorbe fotones con energía igual o mayor que su banda. ge. prohibida, los electrones de la banda de valencia (BV) pueden excitarse y saltar. In. hacia arriba en la banda de conducción (BC), y así se generar portadores de carga;. de. conduciendo a una separación de carga debido a la transferencia de un electrón (e− ) desde la banda de valencia del catalizador semiconductor a la banda de. te. ca. conducción, generando así un agujero (h+ ) en la banda de valencia.. io. Entonces, el agujero generado en la banda de valencia absorbe la molécula de agua. bl. y crea el radical hidroxilo (HO⦁ ), mientras que el electrón reacciona con el. Bi. oxígeno para formar radicales superóxidos aniónicos (O2 − ). Estos radicales son capaces de oxidar las moléculas de colorante adsorbidas y los productos intermedios orgánicos son además oxidados por oxígeno molecular y/o radicales OH ⦁ que producen dióxido de carbono y agua. El electrón en la banda de conducción forma el radical superóxido aniónico (O2 − ) tomando su propio oxígeno. Además, la protonación del radical superóxido (O2 − ) conduce a la. 192.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. formación de radical hidroxilo. Estos radicales forman, entonces, oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno.(Natarajan, et al.,2017).. REDUCCIÓN. BANDA DE CONDUCCIÓN. 𝐞𝑩𝑪 −. ZnO + ɦν → h𝑉𝐵 + + eCB −. ⦁. O2 −. O2 − + colorante →→→ H2 O + CO2. m. ica. ⦁. O2 + eBC − →. OXIDACIÓN. uí. H2 O + hBV + → ⦁ OH + H+. BANDA DE VALENCIA. Q. 𝐡𝑩𝑽 +. OH + colorante →→→ H2 O + CO2. ía. ⦁. ni. er. Figura 11.Diagrama esquemático del proceso de fotodegradación del colorante marrón estándar.(Adaptado de Banerjee, et al.,2015).. ge. Es decir, que mientras el colorante en la semicelda del ánodo se oxida, en la otra. In. semicelda del cátodo se reduce; lo cual produce la generación de electrones en el. de. tiempo y con ello el incremento de energía. Este mecanismo explicaría que existe una relación de proporcionalidad, esto se debe al incremento de las reacciones de. ca. oxidación – reducción, que intensifican la degradación del colorante, las cuales. te. producen electrones generando el incremento de energía en el tiempo; mecanismo. io. que estaría acorde con algunos trabajos como el de Modirshahla, et al.,2011,. Bi. bl. quienes indicaron que la degradación es una función lineal con tiempo de exposición. Por lo tanto, mientras en el tiempo se incrementan dichas reacciones, así también se incrementa la generación energía eléctrica.. 202.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 4.2. Influencia de la concentración del colorante marrón estándar en la generación de energía eléctrica Los resultados de la Figura 8 muestran la acción del mecanismo de fotodegradación del colorante, mediante reacciones de oxidación-reducción, para la generación de energía. Dichas reacciones son descritas por Akpan y. ica. Hameed,(2009); como se muestra en las ecuaciones (8) a la (10). (8). colorante + hBV + → colorante oxidado. (9 ). uí. m. colorante + • OH → colorantes degradados. (10). ía. Q. colorante + eBC − → colorante reducido. er. Este mecanismo de fotodegradación es debido a que las moléculas de colorante. ni. comprenden de dos componentes: los cromóforos, responsables de producir el. ge. color, y los auxocromos, que no sólo pueden complementar el cromóforo, sino. In. también hacer que la molécula sea soluble en agua y dar afinidad. (Gupta et al.,. de. 2009). Es decir, la presencia de este componente cromóforo permite que las propiedades fotocatalíticas de los materiales utilizados actúen sobre este y se. io. te. de energía.. ca. desarrolle el mecanismo de fotodegradación del colorante y con ello la generación. bl. Sin embargo, el incremento o la disminución de estas reacciones de oxidación-. Bi. reducción dependerán de la concentración del colorante para obtener una eficaz degradación y en consecuencia el incremento de la generación de energía. Además, se observa en la Figura 8 que, la mayor generación de intensidad de corriente se obtuvo a una concentración de 250 ppm mientras a que a mayores concentraciones esta disminuye. Lo lógico es que a mayor concentración del colorante debería producirse mayor cantidad de reacciones; sin embargo, cuando. 212.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. la concentración del colorante se incrementa sucede un fenómeno que inhibe las reacciones. Esto hace referencia Feng, et al.,2000 quien indica en su trabajo que a mayor concentración del colorante existe una menor penetración de la luz solar; dado que el mecanismo de la fotocatálisis se inicia por la interacción de la luz solar con el óxido de zinc, al existir una menor penetración en esta primera etapa,. ica. ésta no se realiza y por lo tanto no se producen las reacciones y por consiguiente. m. el colorante no es fotodegradado.. uí. Rauf y Salman,(2009) complementan que, la concentración de colorante es un. Q. parámetro muy importante para la degradación eficiente usando luz solar / H2 O2 .. ía. Está bien establecido que los POA, específicamente los que dependen de la luz. er. solar u otra fuente de radiación, generalmente funcionan bien en concentraciones. ge. ni. diluidas de colorante, ya que las soluciones de colorante altamente coloreadas bloquean la penetración de la luz solar e impiden la producción de radicales. In. hidroxilos. En consecuencia, existe una relación inversamente proporcional entre. de. la concentración de colorante y la degradación del mismo. Asimismo, indican que. ca. al aumentar la concentración del colorante disminuye la degradación del mismo.. te. Resultados que son similares a los obtenidos en el presente trabajo (Figura 8).. bl. io. Otros investigadores como Rauf, et al.,2011 consideran que, la cantidad de. Bi. colorante adsorbido en la superficie del fotocatalizador es de primordial importancia, ya que solo esta cantidad contribuye al proceso fotocatalítico y no a la mayor parte de la solución. El grado de adsorción del colorante depende de la concentración inicial del colorante. Wang, et al.,2008 agrego que, en términos generales, el porcentaje de degradación disminuye al aumentar la concentración de colorante, mientras se mantiene una. 222.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. cantidad fija de catalizador. Esto se puede racionalizar sobre la base de que a medida que aumenta la concentración de colorante, se adsorben más sustancias orgánicas en la superficie del óxido de zinc, mientras que hay menos fotones disponibles para alcanzar la superficie del catalizador y, por lo tanto, se forman menos radicales OH ⦁ , lo que reduce el porcentaje de degradación.. ica. Independientemente de las dos propuestas del por qué a altas concentraciones de. m. colorante las reacciones de fotodegradación disminuyen, lo concreto es que en el. uí. presente trabajo a concentraciones de 500 ppm las reacciones disminuyen. ía. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. trabajado con mayores concentraciones.. Q. coincidiendo con los resultados de otros investigadores que han realizado. 232.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 4.3. Influencia de la dosificación del peróxido de hidrógeno (𝐇𝟐 𝐎𝟐 ) en la generación de energía eléctrica Los resultados obtenidos en la Figura 9 anteriormente descritos corresponden estrictamente al efecto que el peróxido de hidrógeno tiene en el sistema (no se adicionó óxido de zinc en el sistema de reacción).. ica. La descomposición del peróxido de hidrógeno en presencia de luz solar, es descrito por Zangeneh, et al.,2015 quien indica en su trabajo que este tipo de luz. uí. m. proporciona suficiente energía para romper los enlaces O − O y generar OH ⦁ así. ía. er. H2 O2 + e− (BC) → OH ⦁ + OH −. Q. como el oxígeno atómico, tal como se presenta en la ecuación (11) a la (13).. ni. H2 O2 + ɦν → 2OH ⦁. (12) (13). In. ge. H2 O2 + O2 ∙− → OH ⦁ + OH − + O2. (11). de. La dosificación de peróxido de hidrógeno juega un papel importante en la degradación del colorante. Como la producción de radicales hidroxilo depende de. ca. la dosificación de H2 O2 , se espera que cuanto mayor sea la dosificación de. te. peróxido de hidrógeno, mayor será la cantidad de radicales hidroxilo y más rápida. io. será la degradación del colorante generando así la obtención de energía. Es por. Bi. bl. ello que al aumentar la dosificación de H2 O2 desde 0 hasta 2 mL, se incrementó la generación de energía, esto se debe al incremento de producción de radicales OH ⦁ que reaccionan con el colorante. Sin embargo, un aumento adicional de H2 O2 a 2 mL redujo la generación de energía, esto podría atribuirse a que altas dosificaciones de peróxido de hidrógeno son perjudiciales para la eficiente degradación del colorante, ya que el peróxido. 242.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de hidrógeno reacciona y atenúa los radicales hidroxilo, con ello disminuye la generación de energía como se muestra a continuación en la Figura 9. Esto también es descrito por Boczkaj y Fernandes,(2017) quienes señalan en su investigación que, cuando existen altas dosificaciones de H2 O2 en el medio, las moléculas de peroxido de hidrógeno pueden actuar como un eliminador,. ica. reaccionando con HO⦁ para generar radicales menos reactivos como HO2 ⦁. m. (ecuación (14)), que pueden reaccionar con H2 O2 generando nuevamente OH ⦁ ,. er. H2 O2 + HO⦁ → HO2 ⦁ + H2 O. ía. Q. O2 , como se muestran en la ecuaciones (14) y (15).. uí. H2 O y O2 (ecuación (15)), o reacciona con otro HO2 ⦁ u OH ⦁ para formar H2 O2 y. (15). ge. ni. H2 O2 + HO⦁ 2 → HO⦁ + H2 O + O2. (14). In. Por lo tanto, el H2 O2 se considera un agente oxidante el cual brinda los. de. radicales OH ⦁ permitiendo la degradación fotocatalítica dentro del sistema, es por ello que al incrementarse la cantidad de peróxido de hidrogeno se va incrementar. ca. también la intensidad de corriente. Además es necesaria la determinación de la. te. dosificación óptima de H2 O2 sea proporcional al tipo y cantidad de los. Bi. bl. io. contaminantes.. 252.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 4.4. Influencia de la dosificación del óxido de zinc (𝐙𝐧𝐎) en la generación de energía eléctrica Los resultados obtenidos en la Figura 10 muestran que, la función que cumple el ZnO en el sistema, está relacionada con su comportamiento de semiconductor para la degradación del colorante. Esto también es descrito por Lv, et al.,2011 que detalla el mecanismo de reacción del óxido de zinc en las siguientes ecuaciones. ica. de la (16) a la (22). ZnO + ɦν → eBC − + hBV +. uí. m. (16). ía. Q. H2 O + hBV + → OH ⦁ + H +. ni. ge. O2 − + H + → HO2 ⦁. er. e− + O2 → O2 −. In. HO2 ⦁ + O2 − + H + → H2 O2 + O2. (17) (18) (19) (20) (21). OH ⦁ + colorante → colorante oxidado. (22). ca. de. H2 O2 + e− → 𝑂𝐻 − + OH ⦁. io. te. Donde ɦν es energía fotónica requerida para excitar el electrón semiconductor. bl. desde la banda de valencia (BV) a la banda de conducción (BC).Este mecanismo. Bi. permite la generación de electrones que pasan a traves del sistema para la obtencion de energía. Goncalves, et al.,2005 señala que, con el incremento del catalizador, el área total de superficie activa aumenta y en consecuencia la disponibilidad de más sitios activos en la superficie del catalizador. Sin embargo, los resultados que se muestran en la Figura 10 indican lo contrario a la propuesta de Congalves. Esto. 262.5 Perú. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.