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5/14/2018 RG Agileo-CICAT2012 - slidepdf.com
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FOTOREDUCCIÓN DEL 4-NITROFENOL USANDO LÁMPARA LED AZUL EN
PRESENCIA DE CdS COMO FOTOCATALIZADOR
Angela G. Romero1, Agileo Hernández-Gordillo1*, Francisco Tzompantzi1, Ricardo Gómez1y Angeles Mantilla2
1Universidad Autónoma Metropolitana, San Rafael Atlixco No. 186, México 09340 D.F. (México).2CICATA-IPN, Av. Legaria No 694 México 11500 D.F.
IntroducciónUn típico representante de los fenoles que tiene mayor impacto ambiental, es el 4-Nitrofenol (4-NF), ya
que es muy difícil de degradarse en el agua y en el suelo. Muchos procesos tales como adsorción, electrofenton yelectroquímicos han sido utilizados para su remoción; sin embargo, es muy estable y presenta alta solubilidad en elagua [1]. Por otro lado, el 4-Aminofenol (4-AF) es ampliamente utilizado en la industria farmacéutica para
sintetizar medicamentos biológicamente activos como los analgésicos, entre las que incluye el paracetamol [2].Este precursor se obtiene reduciendo su correspondiente nitrofenol mediante hidrogenación catalítica en presenciade algún metal. Actualmente, también se ha reportado la reducción del 4-NF empleando borohidruro de sodio
(NaBH4) como agente reductor, usando nanopartículas metálicas de Au dispersados sobre un semiconductor (ZnOo SBA-15), el cual son irradiados con fuente de luz visible [3-4]. Sin embargo, no se han reportado estudios sobre
el uso de sulfito de sodio (Na2SO3) para la reducción del 4-NF a 4-AF en presencia del CdS, el cual tambiénabsorbe radiación visible y además promueve reacciones de reducción. Por lo que en este trabajo, semiconductor abase CdS fue sintetizado por el método de precipitación a baja temperatura usando una mezcla de solvente
agua-etilendiamina, para posteriormente ser evaluado en la foto-reducción de 4-NF, estudiando diversosparámetros para encontrar las condiciones óptimas de reacción, empleando sulfito de sodio como agente reductor ylámpara LED como fuente de irradiación visible (azul) de muy baja potencia.
ExperimentalLa síntesis del CdS se llevó a cabo por el método de precipitación a baja temperatura, empleando
Cd(NO3)2H2O y tiourea (con estequiometría de 1:5). El sólido obtenido fue caracterizado por DRX y UV-Vis dereflectancia difusa. La evaluación fotocatalítica de la reducción del 4-NF (Sigma-Aldrich) se efectúo en un reactorde vidrio a condiciones de temperatura ambiente, agitación constante y con radiación azul (centrada en 450 nm),proveniente de una lámpara LED de 3W Pro Lighting. Se usó como agente reductor el Na 2SO3 (J.T. Baker) y el
CdS como fotocatalizador. En este estudio fueron considerados la siguientes variables: concentración de1 4-NF(10-25 ppm), masa del catalizador (entre 10 y 75 mg) y masa del agente reductor (entre 100 y 1000 mg). Para lacuantificación del 4-NF se realizó una curva de calibración a concentraciones entre 0 y 20 ppm, monitoreando la
absorbancia característica de la molécula a 400 nm en medio alcalino. Posteriormente, se determinó el parámetrocinético (K ) considerando una reacción de orden cero.
Resultados y DiscusiónLos patrones de difracción de rayos-X muestran que el
CdS presenta una estructura cristalina, en donde los picos dereflexión corresponden al CdS con fase hexagonal. Además, eltamaño del cristal es de ~25 nm. Este material exhibe absorción
en la región visible entre 400 y 550 nm correspondiente a la luzazul, el cual es característico de un semiconductor con unband-gap de 2.3-2.4 eV [5]. En la Figura 1 se observa que la
banda de absorción a 400 nm del 4-nitrofenolato disminuyeconforme transcurre el tiempo de reacción, indicando unadisminución en la concentración, al mismo tiempo que la banda
de absorción a 300 nm correspondiente a laformación del 4-AF se incrementa [6].
En base a las determinaciones cinéticas se observó que la velocidad de desaparición del reactivo se mantieneconstante con respecto al tiempo (Figura 2), por lo que al ser independiente de la concentración del 4-NF, sugiere
que la reacción de foto-reducción sigue un comportamiento cinético de orden cero.En la Figura 3 se observa que al variar la cantidad de masa del catalizador, el valor de la constante cinéticaaumenta, lográndose un máximo con 50 mg de catalizador. Por el contrario, cuando la reacción se efectúa sin la
presencia del CdS (fotólisis) la reacción no procede. Al variar la concentración del 4-NF de 10 a 20 ppm, seaprecia un comportamiento lineal en la disminución del
valor de la constante cinética, pero a concentración mayorde 25 ppm, el valor de la constante tiende a ser invariable.
Por último, al variar la cantidad de masa del agentereductor, el máximo se obtuvo con 200 mg de Na 2SO3,cuando la concentración de 4-NF es de 20 ppm. Estos
resultados sugieren que la reacción procede mediante unmecanismo de transferencia de electrones, generadosdesde el semiconductor hacia el 4-NF.
Figura 2. Foto-reducción del 10 ppm de 4-NF en funcióndel tiempo ajustado a una cinética de orden cero.
Figura 3. Constante cinética de orden cero de la foto-reducción del 4-NF a 4-AF en función de: A) masa del CdS
a 15 ppm de 4-NF y 100 mg de Na2SO3, B) concentraciónde 4-NF a 50 mg de CdS y 100 mg de Na2SO3, C) masa delNa2SO3 a 20 ppm de 4-NF y 50 mg de CdS.
ImportanciaEl CdS presenta una estructura cristalina con fase hexagonal, band-gap de 2.3-2.34 eV, que corresponde a unaabsorción en la región azul (400-550 nm). La evaluación catalítica mostró que el CdS es fotoactivo en la reacción
de reducción del 4-NF en presencia del Na2SO3, usando una lámpara LED que emite luz azul de muy baja potencia(3W), y que la reacción procede mediante un comportamiento cinético de orden cero. El estudio reveló que lascondiciones óptimas para la reducción del 4-NF son: 50 mg de CdS y 200 mg del Na 2SO3 a bajas concentraciones
del 4-NF. Este proceso sugiere una nueva alternativa para producir 4-AF usando energía solar.
Referencias1. Yang-Chuang C., Dong-Hwang C., Journal of Hazardous Materials 165, 664 (2009).2. Gabriella F., Ottavia G., Silvio S., Journal of Molecular Liquids 159, 146 (2011).3. Kyoko K., Tamao I., Masatake H., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 298, 7 (2009).4. Bhanudas N., Subhenjit H., Vadakkethonippurathu P., Narendra G., Catalysis Communications 12, 1104 (2011).
5. Y. Li, Y. Hu, S. Peng, G. Lu, S. Li, J. Phys. Chem. C , 113, 9352 (2009).6. Deli J., Jimin X., Min C., Di L., Jianjun Z., Huiru Q., Journal of Alloys and Compounds 509, 1975 (2011).
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
C / C o
Tiempo (h)
m=-0.3601
200 250 300 350 400 450 5000
1
2
3
250 300 350
0.1
A b s o r b a n c i a ( u . a . )
Longitud de onda (nm)
400 nm
(4-NF)
300 nm
(4-AF)
Figura 1. Espectro UV-Vis de la fotorreducción de 10 ppm
de 4-NF en presencia de 50 mg de CdS y 100 mg de Na 2SO3.
0 5 10 15 20 25 300.0
0.1
0.2
0.3
0.4
B)
NF
K
( M h
- 1 )
(ppm)
A)
C)
0 15 30 45 60 75 90 (mg)CdS
10 100 1000 (mg)Na2SO
3