Producción de recubrimientos de TiO2/S obtenidos por oxidación electrolítica por plasma con el fin de reducción de Cr(VI) en medios acuosos

Abstract

En esta investigación se realizó la síntesis de recubrimientos de TiO2/SO42- mediante oxidación electrolítica por plasma (OEP), para su aplicación en la reducción de Cr (VI) presente en agua residual de la industria del cromado, a Cr (III) por medio del proceso de fotocatálisis heterogénea. Durante el proceso OEP se utilizaron láminas de Ti de 99% de pureza y como solución electrolítica H2SO4 al 0,1M, se realizaron variaciones de ciclo útil de 2%, 10%, 30% y 50%, durante un tiempo de síntesis de 7 min a condiciones ambientales de temperatura y presión. La caracterización fisicoquímica de los recubrimientos obtenidos se realizó mediante XRD, espectroscopía Raman, AFM, SEM, XPS y DRS.

Los XRD mostraron la combinación de las fases de anatasa y rutilo del TiO2, y que, a mayor ciclo útil, la fase rutilo aumenta mientras que la fase anatasa decrece, esto debido a la energía que adquiere el sistema lámina y solución electrolítica durante el proceso OEP. En tanto, a la caracterización por Raman se corroboró lo encontrado mediante XRD pues se evidencia la presencia de los modos vibracionales de las fases anatasa y rutilo en las láminas de 2% y 50% respectivamente. Por otro lado, en las micrografías AFM se visualizó que, a mayor ciclo útil, se incrementa la rugosidad del recubrimiento.

En las micrografías obtenidas por SEM se observan microcavidades sobre la superficie de los recubrimientos, calotas (esferas) que son las huellas digitales del mismo, además, se observan los canales de descarga y regiones nodulares que son zonas ricas en solución electrolítica, y en los resultados obtenidos por XPS se observa la presencia de S en los recubrimientos en forma de SO42-. En las pruebas de absorción óptica del material por DRS se observa un corrimiento de la banda de absorción de 420 nm (ciclo útil de 2%) a 606 nm (ciclo útil del 50%), lo que indica que la muestra obtenida al 50% ha desplazado la banda de absorción hacia el visible y una disminución en el valor del gap. En la muestra al 2% se estimó el valor del gap en 2,96 eV y para la muestra del 50% de ciclo útil el gap fue de 2,05 eV.

Adicionalmente, todos los recubrimientos de TiO2/SO42- mostraron reducciones de Cr (VI) de agua residual mayores al 50 % a 3 horas para las muestras con la adición de EDTA. El proceso fue mejorado en tiempo y en porcentaje de reducción una vez cerrado el circuito, lo que brindó mejores rendimientos (96% para ciclo útil de 2% en 2 horas a 4ppm). Finalmente, el recubrimiento de TiO2/SO 2- obtenido al 2%, logró un rendimiento promedio en la reducción de Cr (VI) de 96.14 ± 2.7 para un promedio de 7 reúsos, lo que favorece dichos procesos evitando operaciones unitarias de filtración y separación en comparación de polvos. (Texto tomado de la fuente)

In this research, the synthesis of TiO2/SO 4 2- coatings was carried out by Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), for its application in the reduction of Cr (VI) present in wastewater from the chromium plating industry to Cr (III), using heterogeneous photocatalysis process. During the PEO synthesis, 99% purity Ti films and 0.1M H2SO4 as electrolyte solution were used. Duty cycle variations of 2%, 10%, 30% and 50% were performed during a synthesis time of 7 min at ambient temperature and pressure conditions. The physicochemical characterization of the obtained coatings was performed by XRD, Raman spectroscopy, AFM, SEM, XPS and DRS. The XRD results showed the combination of the anatase and rutile phases of TiO2, and as the duty cycle increases, the rutile phase increases while the anatase phase decreases, due to the energy acquired by the coating - electrolyte solution system during the PEO process. The Raman characterization corroborated what was found by XRD, since the presence of the vibrational modes of the anatase and rutile phases is evidenced in the 2% and 50% duty cycle coating, respectively. On the other hand, in the AFM micrographs it was visualized that the roughness of the coating increases as the duty cycle increases. In the micrographs obtained by SEM, microcavities are observed on the surface of the coatings and the calottes (spheres), which are the fingerprints of the coatings. In addition, the discharge channels and nodular regions that are rich in electrolyte solution are observed and, in the results obtained by XPS the presence of S is observed in the coatings in the form of SO 2-. In the optical absorption tests of the material by DRS, a shift of the absorption band from 420 nm (duty cycle of 2%) to 606 nm (duty cycle of 50%) is observed, which indicates that the coating obtained at 50% has shifted the absorption band towards the visible and a decrease in the gap value. In the 2% duty cycle coating the gap value was estimated in 2.96 eV and for the 50% duty cycle coating the gap was 2.05 eV. Additionally, all TiO2/SO 2- coatings showed Cr (VI) reduction in wastewater greater than 80% at 3 hours with the addition of EDTA. The process was improved in time and in efficiency percentage once the circuit was closed, which gave better yields (96% for 2% duty cycle in 2 hours at 4ppm). Finally, the TiO2/SO42- coating obtained at 2% duty cycle, achieved an average yield in Cr (VI) reduction of 96.14 ± 2.7% for an average of 7 reuses, which favors such processes avoiding unitary operations of filtration and separation compared to powders.