UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA ESCUELA DE POSTGRADO MAESTRÍA EN QUÍMICA DEL MEDIO AMBIENTE “DEGRADACIÓN FOTOCATALÍTICA DE METAMIDOFOS POR ÓXIDO DE ZINC” Tesis presentada por el bachiller: HARRY RICARDO YUCRA CONDORI Para optar el grado académico de: Maestro en Química del Medio Ambiente Asesor: Dr. Gonzalo Dávila del Carpio Arequipa – Perú 2016 DEDICATORIA: La presente tesis se la dedico a Dios por haberme dado la oportunidad de adquirir nuevos conocimientos, nuevas amistades y haberme dado la fortaleza para levantarme y salir adelante en este camino, también dedico esta tesis a mis padres Nancy y Jaime y a mi hermana Ana María por apoyarme y sostenerme siempre que los necesito. AGRADECIMIENTO A Dios por haberme ayudado a mantenerme en mis principios y convicciones, por haberme brindado una hermosa familia y entrañables amigos. A mi familia por su ayuda, cariño y comprensión en los buenos y malos momentos. A mi Asesor, docentes y amigos por el apoyo y los consejos que sirvieron para el desarrollo de esta investigación. Agradezco especialmente a la Universidad Católica de Santa María y al Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación tecnológica por el apoyo brindado mediante la subvención de la maestría. . A todos los que en algún momento de mi vida supieron darme un mensaje de aliento para continuar en este camino. Muchas gracias por todo… EPIGRAFE: Si de verdad queremos construir una ecología que nos permita sanar todo lo que hemos destruido, entonces ninguna rama de las ciencias y ninguna forma de sabiduría puede ser dejada de lado, tampoco la religiosa con su propio lenguaje. Papa Francisco. ÍNDICE GENERAL Contenido RESUMEN .................................................................................................................. 1 ABSTRACT ................................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 5 CAPITULO I ............................................................................................................... 9 MARCO TEORICO .................................................................................................... 9 1.1. Pesticidas. ......................................................................................................... 9 1.1.1. Pesticidas organofosforados (OP) ........................................................ 13 1.1.2. Impacto ambiental de los pesticidas: ................................................... 15 1.1.3. Toxicidad de los organofosforados ...................................................... 17 1.1.4. Toxicocinética de los organofosforados .............................................. 19 1.1.5. Metamidofos: ....................................................................................... 24 1.2. Fotocatálisis .................................................................................................... 27 1.2.1. Fotocatálisis homogénea ...................................................................... 28 1.2.2. Fotocatálisis heterogénea ..................................................................... 29 1.3. Óxido de Zinc ................................................................................................. 34 1.3.1. Factores que afectan a la eficiencia de la foto degradación con ZnO (50) ………………………………………………………………………...36 1.4. Métodos de determinación de pesticidas organofosforados ........................... 39 1.4.1. Cromatografía liquida de alto desempeño (HPLC) ............................. 40 1.5. Análisis de antecedentes investigativos: ......................................................... 43 CAPITULO II ............................................................................................................ 46 MATERIALES Y METODOS .................................................................................. 46 2.1. Tipo de investigación ...................................................................................... 46 2.2. Materiales ........................................................................................................ 46 2.2.1. Materiales, reactivos y equipos: ........................................................... 46 2.3. Métodos. ......................................................................................................... 47 2.3.1. Parámetros de validación del método de determinación de metamidofos por HPLC – DAD ............................................................................................... 47 2.3.2. Método para la determinación de Metamidofos por HPLC ................. 52 2.3.3. Degradación fotocatalítica de metamidofos ........................................ 52 2.3.4. Modelamiento matemático .................................................................. 53 2.3.5. Estrategia de recolección de datos ....................................................... 54 CAPITULO III ........................................................................................................... 55 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................... 55 3.1. Preparación de estándar secundario de metamidofos ..................................... 55 3.2. Preparación de una solución de metamidofos comercial ................................ 55 3.3. Validación del método de determinación de metamidofos por HPLC – DAD61 3.3.1. Linealidad ............................................................................................ 62 3.3.2. Precisión ............................................................................................... 63 3.3.3. Exactitud .............................................................................................. 64 3.3.4. Límite de cuantificación y detección ................................................... 65 3.4. Validación del método TLC semi-cuantitativo para determinar y cuantificar metamidofos ........................................................................................................... 66 3.4.1. Linealidad ............................................................................................ 68 3.4.2. Precisión ............................................................................................... 69 3.4.3. Límite de cuantificación y detección ................................................... 70 3.5. Determinación de la longitud de onda de emisión relativa de la lámpara de trabajo ..................................................................................................................... 72 3.6. Modelamiento de la degradación fotocatalítica de metamidofos ................... 73 3.6.1. Efecto de la oscuridad y la luz UVA en la degradación del metamidofos ....................................................................................................... 74 3.6.2. Efecto de la concentración inicial de metamidofos ............................. 75 3.6.3. Efecto de la concentración de ZnO ...................................................... 83 3.7. Cinética de degradación fotocatalítica de metamidofos ................................. 90 3.7.1. Determinación de la cinética de degradación fotocatalítica utilizando el modelo matemático propuesto ............................................................................ 90 3.7.2. Determinación de la cinética de degradación fotocatalítica utilizando el modelo cinético de pseudo-primer orden ........................................................... 92 3.7.3. Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood ....................................... 99 3.8. Evaluación de una muestra real .................................................................... 101 3.9. Posible mecanismo de degradación fotocatalítica de metamidofos .............. 104 CONCLUSIONES ................................................................................................... 107 RECOMENDACIONES .......................................................................................... 108 REFERENCIAS ....................................................................................................... 109 ANEXO Nº 1 ........................................................................................................... 118 ANEXO Nº 2 ........................................................................................................... 128 ANEXO Nº 3 ........................................................................................................... 137 ANEXO Nº 4 ........................................................................................................... 142 ANEXO Nº 5 ........................................................................................................... 153 ANEXO Nº 6 ........................................................................................................... 156 ANEXO Nº 7 ........................................................................................................... 158 ANEXO Nº 8 ........................................................................................................... 162 ANEXO Nº 9 ........................................................................................................... 165 RESUMEN La agricultura convencional, poco técnica y olvidada, y la necesidad de satisfacer la demanda de alimentos, ocasiona que muchas sustancias tóxicas (pesticidas) sean utilizadas en esta actividad de manera indiscriminada y se dispersen hacia los ecosistemas por efectos del viento y las corrientes de agua, ocasionando un grave problema ambiental. La presente investigación trata de buscar una alternativa para la identificación, cuantificación y degradación de pesticidas organofosforados, tomando como modelo al metamidofos, de esta manera brindar una alternativa para la remediación de lechos acuático contaminados con este pesticida. Se validó un método HPLC-DAD para la cuantificación de metamidofos, siendo el método lineal, preciso y exacto para el monitoreo de metamidofos en un proceso ideal de degradación fotocatalítica, los límites de detección y cuantificación fueron 0.74 ppm y 1.17 ppm respectivamente; para esta validación se hizo uso de un estándar secundario preparado a partir de un estándar primario el cual contenía una concentración de 20000 ppm. Se evaluó la fotocatálisis de metamidofos utilizando ZnO como fotocatalizador, se buscó el modelo matemático que mejor describa el comportamiento de los datos obtenidos, utilizando el modelo de Asociación exponencial de dos fases y 1 el modelo de Pseudo primer orden, siendo el de Asociación exponencial de dos fases el que mejor se ajusta a los datos experimentales. Con el modelo matemático óptimo, se extrapoló para determinar el máximo porcentaje de degradación, siendo este de hasta 79.86% cuando se trabajó con 2g/L de óxido de zinc (ZnO) y una concentración de 15 ppm de metamidofos, con agitación constante, temperatura 25 ± 2 ºC y un pH promedio de 6.78; el t1/2 calculado con este modelo fue de 209.43 min para las condiciones ideales. Palabras clave: HPLC-DAD, metamidofos, fotocatalizador, óxido de zinc, fotocatálisis. 2 ABSTRACT The conventional agriculture, little technical and forgotten, and the necessity to satisfy the food demand, causes that many toxic substances (pesticides) are used indiscriminately and disperse into the ecosystems, to cause of wind and water currents, causing a serious environmental problem. This research attempts to find an alternative for the identification, quantification and degradation of organophosphate pesticides, i.e. Methamidophos, thus providing an alternative for the remediation of water contaminated with this pesticide. HPLC-DAD method was validated for quantitation of Methamidophos, the method is lineal, precise and exact for a metamidofos monitoring in an ideal photocatalytic degradation, the detection and quantification limits were 0.74 ppm and 1.17 ppm respectively; for these validation was prepared a secondary standard from a parent which contained a concentration of 20000 ppm of Methamidophos. Photocatalysis of Methamidophos using ZnO as a photocatalyst was evaluated, a mathematical model that best describes the behavior of the data obtained was sought, using the exponential Association two phases model and the Pseudo – first order model, being the exponential Association two phases mathematical model which best fits the experimental data. 3 With the optimum mathematical model is extrapolated to determine the maximum rate of degradation, this being up to 79.86% when worked with 2g/L of zinc oxide (ZnO) and a concentration of 15 ppm of Methamidophos, with constant agitation, temperature 25 ± 2 ° C and an average pH of 6.78, the t1/2 calculated with this model was 209.43 min for the most ideal conditions. Keywords: HPLC-DAD, methamidophos, photocatalyst, zinc oxide, photocatalysis. 4 INTRODUCCIÓN La industria, la agricultura convencional, poco técnica y olvidada, y la necesidad de satisfacer la demanda de alimentos, ocasiona que muchas sustancias tóxicas sean utilizadas en esta actividad de manera indiscriminada y más aún el hecho de que estas sustancias encuentren su camino hasta los ecosistemas dispersándose a grandes distancias por los vientos y las corrientes de agua, han hecho de estos compuestos tóxicos un grave problema ambiental. La dirección de la investigación durante las últimas décadas tuvo como objetivo no sólo la identificación de estos compuestos tóxicos, sino también su degradación en los medios. El uso continuado de los pesticidas conducirá inevitablemente a que las plagas desarrollen mayor resistencia y necesariamente a un desarrollo de productos agroquímicos más fuertes e incluso más dañinos. Los OP son ampliamente utilizados para el control de plagas y el estudio de su comportamiento en el medio ambiente es de vital importancia. El potencial 5 contaminante de estos compuestos en agua y sedimentos es alto debido a sus propiedades físico-químicas tales como la solubilidad en agua, capacidad de adsorción (Koc), y vida media (> 25 semanas). (1) Los OP están comprendidos dentro de los 10 pesticidas más utilizados en todo el mundo. Se aplican en diferentes tipos de cultivo para la eliminación de plagas. Estos compuestos son extremadamente tóxicos, actuando sobre la actividad de la acetilcolinesterasa. Los niveles de residuos de OP han sido reportados en aguas ambientales.(2,3) En la región de Arequipa aún se practica una agricultura convencional, la cual viene vertiendo en el suelo muchas sustancias toxicas y persistentes. Dentro de estas sustancias toxicas utilizadas para la erradicación de plagas, se encuentran lo compuestos organofosforados que son ampliamente utilizados, sin embargo, estos compuestos tienen un efecto dañino sobre la salud humana, debido a que son inhibidores de la actividad de la acetilcolinesterasa, ocasionando cuadros de envenenamiento agudo. Dentro de los procesos de degradación y purificación de aguas contaminadas con compuestos orgánicos se incluyen procesos de adsorción (sobre carbón activado), acción microbiana (biodegradación), y la oxidación química. Sin embargo, en cada técnica existen limitaciones y desventajas, ante ello, los procesos que implican la luz como fuente de energía para degradar compuestos orgánicos, han recibido una atención creciente en los últimos años debido a que superaron las desventajas de los procesos anteriores. La presente investigación busca estudiar la degradación de un pesticida organofosforado (metamidofos) utilizando la fotocatálisis como un proceso de depuración para este contaminante en lechos acuáticos. 6 HIPÓTESIS Dado que la fotocatálisis con óxidos metálicos es un proceso muy utilizado para la degradación de compuestos orgánicos, es posible la degradación fotocatalítica de metamidofos utilizando ZnO como fotocatalizador. 7 OBJETIVOS 1) Validar un método para la determinación cuantitativa de pesticida metamidofos por Cromatografía liquida de alto performance. 2) Foto-degradar el metamidofos utilizando ZnO. 3) Evaluar la cinética de degradación de metamidofos con ZnO. 8 CAPITULO I MARCO TEORICO 1.1.Pesticidas. Desde hace ya mucho tiempo se ha venido utilizando sustancias químicas para el manejo y control de plagas; es así que alrededor de los años 70’s Pliny propuso el uso de arsénico para matar a los insectos. Desde principios del siglo XIX, ciertos compuestos inorgánicos tales como el arseniato de plomo, verde de París (aceto- arsenito de cobre), fluorosilicato de sodio, fosfato de zinc, entre otros han sido utilizados como insecticidas, sin embargo, lo que no se pudo prever en ese momento fue que los pesticidas arsenicales podrían persistir en el suelo hasta 40 años. (4) En general, el término “pest” se traduce del inglés como “plaga” que se refiere a cualquier insecto, roedor, nematodo, hongos, mala hierba, o cualquier otra forma de planta terrestre o acuático, animal, virus, bacterias u otros microorganismos que dañan a las plantas de jardín, árboles, alimentos, artículos del hogar, o es un vector de enfermedades. (4) 9 En la agricultura, las plagas incluyen insectos y ácaros que se alimentan de los cultivos, las malas hierbas en los campos plantas acuáticas que obstruyen riego; agentes que causan enfermedades de las plantas, tales como hongos, bacterias, virus, nematodos, caracoles, babosas, y roedores que consumen enormes cantidades de granos y semillas. Los pesticidas se pueden clasificar, en función de su proceso de evolución, modo de acción, la naturaleza química y la especie objetivo. La figura I.1, presenta una vista esquemática de la categorización de los plaguicidas en diferentes clases.(4) Organicos Inorganicos Alcaloides Terpenoides Flavonoides Microbianos Sinteticos Naturales Primera generación Contacto Segunda generación Ingestión Pesticidas Tercera generación Inhalación Cuarta generación Insecticidas Herbicidas Fungicidas y bactericidas Nematicidas Rodenticidas Nitroanilinas Ditiocarbamatos Fosforados Cumarinas Fenol dvts Tiazoles Halo, hidrocarbonado Carbamatos Triazinas Ácidos fenoxi Organofosfato y alifáticos Isotiocianato Carbamatos Benceno dvt Organosulfurados Carbamatos Formidinas Figura I. 1 Clasificación de los pesticidas (Fuente: Handbook of pesticides: Methods of Pesticide Residues Analysis).(4) 10 Los pesticidas se pueden clasificar según su naturaleza química general en varios tipos principales, como se muestra en la Tabla I.1. Tabla I. 1 Clasificación química de los pesticidas. Clasificación química de los pesticidas No Tipo químico Ejemplo Estructura Acción típica A Organoclorados p, p’- DDT Insecticida B Organofosforados Malatión Insecticida (OP) C Carbamatos Carbaril Insecticida D Ditiocarbamatos Thiran Fungicida E Derivados de 2, 4, - D Herbicida ácidos carboxílicos 11 F Ureas sustituidas Diuron Herbicida G Triazina Simazina Herbicida H Piretroide Cipermetrina Insecticida I Productos de Nimbidia C35H44O16 Insecticida Neem (Azadiractina) J Otros 1 Organometalicos Acetato de Fungicida fenilmercurio 2 Tiocianatos Lethane Insecticida 60 12 3 Fenoles Dinitrocresol Insecticida 4 Formamidas Insecticida clordimeformo Fuente: Handbook of pesticide: Methods of pesticide residues analysis.(4) 1.1.1. Pesticidas organofosforados (OP) Químicamente los OP son esteres del ácido fosfórico (fósforo pentavalente) con una variedad de alcoholes, generalmente son liposolubles y son altamente tóxicos; sin embargo su tiempo de vida media es relativamente corto.(5) La investigación de los compuestos orgánicos del fosforo se inició en 1820 cuando Lassaigne preparo esteres fosfóricos, posteriormente en 1937, fueron descubiertas sus propiedades por el Dr. Schrader quien propuso la siguiente formula general: Donde R1 y R2 corresponden a diversos grupos funcionales y X puede ser un halógeno, paranitrofenol, derivados fenilamónicos fosfatos, etc. Las diferentes sustituciones de los radicales, pueden dar origen a nuevos grupos de compuestos en los cuales los 13 sustituyentes tienen gran influencia en las propiedades físico – químicas del compuesto y se relaciona asi mismo con su selectividad.(6) (Tabla I.2) Tabla I. 2 Sustitución de los radicales en el esquema general de los OP. Fosfato Alta toxicidad y escasa estabilidad. Ej.: Mevinfos Tiofosfatos Son menos toxicos que los fosfatos y constituyen un grupo importante. Ej.: Fenitrotión, Foxim. Tionotialfosfato o Ej.: Dimetoato, Azinfosmetílico, Metidatión, Forato, fosforoditionato Malatión. Tiolfosfato Ej.: Oxidemetón-metil, Edifenfos, etc. 14 Fosforoamidico o Ej.: Metamidofos amidofosfato Fuente: Márquez Girón, Sara María et. al. (6) Los OP por lo general son inodoros e incoloros, se les puede añadir colores para facilitar su reconocimiento, son lipofílicos por lo que pueden ser fácilmente absorbidos a través de la piel y las membranas mucosas, la mayoría de los agentes OP son líquidos sin embargo cuando se dispersan, pueden volatilizarse. (7) 1.1.2. Impacto ambiental de los pesticidas: El aumento del consumo de pesticidas fue considerado como positivo en la producción agrícola, con el tiempo el hombre se dio cuenta del problema que representaba el uso de pesticidas y fertilizantes, en la figura I.2 se muestra la evaluación de causa – efecto de utilizar estos contaminantes. (4) Seres humanos Contaminación química del medio ambiente Aumento de la Bioacumulación Actividad residual producción agrícola Patógenos de las plantas Uso de pesticidas Dosis muy muy alta Uso extensivo Destruir Necesita Resistencia Resurgencia Figura I. 2 Causa y efecto de la contaminación con pesticidas.(4) Aunque el agua es tratada antes de su entrega, el tratamiento no hace nada para eliminar las trazas de pesticidas y contaminantes industriales presentes en el agua. La 15 lixiviación de los campos agrícolas ha sido la fuente más importante de contaminación para el medio ambiente acuático. (4) Los plaguicidas son peligrosos debido a su potencial toxicidad y contaminación ambiental considerando que algunos son altamente persistentes y que se encuentra en los sistemas acuáticos durante décadas. En la India, donde la exposición humana a los plaguicidas es una de las más altas del mundo, esta es una gran preocupación.(4) Recientemente se ha reportado que los pesticidas y compuestos relacionados se han correlacionado con agentes causantes de cáncer. Estos pesticidas entran lentamente nuestros cuerpos y después de años, causan cáncer, trastornos del sistema inmunológico, trastornos del sistema hormonal y reproductivo, afectando incluso al feto. Los cánceres de los sistemas linfáticos y hematopoyéticos y el cerebro también están asociados con la exposición a los pesticidas. (4) Los estudios han relacionado la creciente incidencia de linfoma no Hodgkin (NHL), una forma de cáncer, con el aumento del uso de OP y herbicidas fenoxi y los efectos acumulativos de estos contaminantes en el sistema humano. El uso frecuente de herbicidas, en particular el ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), se ha asociado con un 200% -800% más de riesgo de tener NHL. Además de las personas que trabajan en la agricultura, la población en general también está en un alto riesgo de NHL debido a la utilización de estos pesticidas en los hogares. El uso de plaguicidas, en particular 2,4-D, ácido 2,4,5-triclorofenoxi, ácido 2-metil-4-clorofenoxi acético y OP han aumentado en los últimos 40 años. Este aumento ha jugado un papel importante en la contribución a la creciente incidencia de linfoma no Hodgkin. Los plaguicidas son capaces de alterar los procesos de génesis tumoral, y se presentan para causar una variedad de tipos de cáncer a través de un mecanismo inmunológico.(4) A la preocupación por los efectos cancerígenos de los pesticidas, se agrega el último descubrimiento la cual es una nueva disciplina de la ciencia llamada la inmunotoxicidad, que examina sustancias que producen un impacto negativo sobre el sistema inmunológico. Una inmunidad reducida favorece en la incidencia de cáncer ya que permite que las células cancerosas formen con mayor facilidad un tumor. Los agricultores son los que están en mayor riesgo de adquirir enfermedades autoinmunes como la enfermedad de Hodgkin, melanoma, mieloma múltiple, leucemia y cáncer de 16 labio, estómago y próstata. Por lo tanto, se convierte en una necesidad detectar y tratar tales contaminantes.(4) Para aliviar la preocupación pública y para proteger el medio ambiente, las restricciones regulatorias se imponen a estos grupos de pesticidas. De acuerdo con ello, el consumo y la venta de algunos de ellos han sido prohibidos, retirados, o severamente restringidos. 1.1.3. Toxicidad de los organofosforados Los OP actúan formando enlaces covalentes con la acetilcolinesterasa, provocando su inactivación de la enzima de manera irreversible. La acetilcolinesterasa, tiene la función de hidrolizar al neurotransmisor acetilcolina sobrante en los espacios sinápticos, permitiendo que la neurona colinérgica retorne a su estado de reposo, evitando así una transmisión excesiva de acetilcolina, que produciría una sobre estimulación del músculo y como consecuencia debilidad o cansancio.(8) 17 Figura I. 3 Transmisión del Impulso Nervioso en la Sinapsis Colinérgica.(6) La acetilcolina se hidroliza a colina y ácido acético. La colina es reciclada al interior de la neurona presináptica para volver a sintetizar acetilcolina. (Figura I.3) Hay dos tipos de enzima acetilcolinesterasa: 1.1.3.1. La Colinesterasa Verdadera o de tipo E: unida a las membranas de las neuronas, en las sinapsis ganglionares de la estructura neuromuscular del organismo y en los eritrocitos donde no se le conoce acción fisiológica, pero constituye un antígeno celular llamado Yt. 1.1.3.2.La Pseudocolinesterasa o de tipo S: (butirilcolinesterasa), presente en forma soluble en casi todos los tejidos principalmente en hígado y plasma, pero en poca concentración en el sistema nervioso central y periférico. 18 La colinesterasa eritrocitaria se utiliza para evaluar el estado de intoxicación aguda de un paciente, mientras que la colinesterasa plasmática o pseudocolinesterasa es la tarda en regenerarse, por lo que se utiliza en la evaluación de la exposición crónica.(8) 1.1.4. Toxicocinética de los organofosforados 1.1.4.1. Adsorción: Los OP pueden ingresar al organismo por la vía cutánea, respiratoria y digestiva, las propiedades liposolubles de estas sustancias facilitan la penetración por las vías cutánea y por la mucosa respiratoria, estas ocurren en el proceso de formulación, mezclado, aplicación o almacenamiento de los pesticidas. La toxicidad por vía dérmica depende de la rapidez con la que el ingrediente activo sea capaz de alcanzar la circulación general. La absorción a través de la piel no es uniforme en toda la superficie corporal para un determinado compuesto. En el caso del paratión, la absorción dérmica en distintas zonas del cuerpo humano varía desde el 0% en el arco plantar, hasta el 100% en el escroto. Entre ambas cifras están; 8.6% en la cara interna del brazo, alrededor del 33% en distintos puntos de la cara y el 63% en las axilas. La temperatura ambiental elevada también favorece a la absorción cutánea, a consecuencia de un aumento de la circulación periférica en estas condiciones.(9) 1.1.4.2. Distribución Los OP y sus metabolitos se distribuyen rápidamente por todo los órganos y tejidos, aunque las concentraciones más elevadas se alcanzan en el hígado y los riñones, antes de ser eliminados de manera prácticamente total por la orina y las heces. Poseen una corta vida media en el plasma y un elevado volumen de distribución. No obstante, los compuestos más lipofílicos pueden almacenarse en pequeña proporción en los tejidos grasos y el tejido nervioso, dada su riqueza en lípidos, de 19 donde pueden ser posteriormente liberados, produciendo toxicidad crónica por bioacumulación.(9) Fuente química  Proximidad a la fuente  Cuestionarios Medio de exposición Dosis externa Inhalación, contacto Adsorción corporal dérmico, ingestión BIOMARCADORES Metabolismo Excresión Sangre Dosis interna DE EXPOSICIÓN Reparación Dosis biológica Biotransformación efectiva BIOMARCADORES DE SUCEPTIBILIDAD Expresión Función alterada BIOMARCADORES DE EFECTO Vigilancia de la Manifestación de la salud enfermedad Figura I. 4 Esquematización del metabolismo de los pesticidas en el cuerpo.(10) 1.1.4.3. Mecanismo de acción La enzima colinesterasa posee dos sitios reactivos: Un sitio aniónico (que sirve para fijar a la molécula de acetilcolina a través del catión N) y un sitio esteárico (responsable de la hidrólisis de la acetilcolina, así como el sitio de reacción de los OP).(11) Los OP interaccionan con el grupo OH de la SER (resto del aminoácido serina) del sitio activo esteárico. Se forma un intermediario de la enzima fosforilada y es la salida de estos grupos del sitio activo de la enzima lo que limita la velocidad del proceso y el consiguiente efecto tóxico. Los enlaces P-O no pueden ser hidrolizados por H2O.(11) 20 Figura I. 5 Sitios de Acción de los Órganofosforados (OP).(11) Para el caso del metamidofos la unión puede ser de la siguiente manera: La unión de un OP con la enzima puede durar desde 1 hora a semanas en deshacerse, para fines fisiológicos la inactivación de una enzima por más de 24 horas ya se considera irreversible. Este proceso se llama “envejecimiento de la enzima” lo cual hace más estable la unión del órganofosforado con la enzima.(11) El enlace enzima - OP es fuerte, sin embargo, la enzima es susceptible de ser reactivada con la administración de oximas ( hidroxilamina o con yoduro de aldoxima de metilpiridina), El tratamiento farmacológico se hace con atropina o con pralidoxima.(11) 21 Figura I. 6 Reactivación de la Acetilcolinesterasa.(11) 1.1.4.4.Manifestaciones clínicas: Los OP pueden producir cuatro efectos tóxicos:  Inhibición de la enzima colinesterasa..  Acción tóxica directa sobre distintos parénquimas.  Disfunción de la placa mioneural postsináptica, “Síndrome Intermedio”.  Inhibición de la enzima esterasa neurotóxica (ENT), produciendo una Neuropatía Retardada. Los signos y síntomas pueden agruparse en tres síndromes de base colinérgica,.(8) 22 Tabla I. 3 Principales signos y síntomas producidos por una intoxicación con OP. Sinapsis ganglionales  Cefalea  Hipertensión pasajera  Mareo  Palidez  taquicardia Músculo esquelético  Calambres (placa motora)  Debilidad generalizada (incluido músculo respiratorio).  Fasciculaciones (pequeñas e involuntarias contracciones musculares visibles bajo la piel pero que no produce movimiento de miembros)  Mialgias  Parálisis flácida Ojos  Dificultad de acomodación del cuerpo ciliar  Epífora (abundante secreción lagrimal)  Hiperemia conjuntival  Miosis  Visión borrosa Membranas mucosas  Hiperemia  Rinorrea Pulmón – bronquios  Broncorrea  Cianosis  Disnea  Dolor Torácico  Espiración difícil por bronco- constricción y broncorrea  Tos Tracto digestivo  Anorexia  Cólico  Incontinencia fecal  Diarrea  Náuseas  Sialorrea (excesiva producción de saliva)  Tenesmo  Vómito Corazón – vasos  Bloqueo cardiaco 23 SÍNDROME MUSCARÍNICO (Receptores muscarínicos principalmente en músculo liso, corazón y glándulas SÍNDROME NICOTÍNICO exocrinas)  Bradicardia  Arritmias  Hipotensión Vejiga  Disuria (dificultad para orinar, acompañado con dolor)  Micción involuntaria Piel  Diaforesis (sudoración excesiva) Glándulas exocrinas  Hipersecreción  Sudoración Sistema Nervioso  Ansiedad Central  Ataxia (descoordinación de movimientos)  Babinski (Es un reflejo que ocurre cuando el dedo gordo del pie se mueve hacia la parte superior del pie y los otros dedos se abren en abanico después de que la planta del pie haya sido frotada firmemente)  Cefalea  Coma con ausencia de reflejos  Confusión  Convulsiones  Depresión  Depresión de centros respiratorio y circulatorio  Perturbación mental  Irritabilidad  Somnolencia Fuente: Extraído de libro “Las Bases Farmacológicas de la Terapéutica” (Goodman & Oilman).(6) 1.1.5. Metamidofos: Figura I. 7 Estructura del metamidofos. 24 SÍNDROME DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL El Metamidofos es un OP insecticida, acaricida, su nombre químico es O,S- dimetilfosfamidotioato (UIQPA; CAS), cuya fórmula empírica es C2H8NO2PS (P.M.: 141.129182 g/mol) y es considerado como Altamente Peligroso (Ib) por la OMS, por lo que debe llevar las señales de Peligro – Toxico en las etiquetas de todas sus presentaciones comerciales. Los insecticidas ubicados en esta clasificación son de uso restringido.(13) El metamidofos se presenta como cristales incoloros con un fuerte olor similar a mercaptano, y un punto de fusión de 44.9 ºC. Es fácilmente soluble (> 200 g/La 20 ºC) en agua, acetona, dimetilformamida, diclorometano y 2-propanol, y es soluble en n-octanol (50-100 g/L), tolueno (2-5 g/L), y n-hexano (<1 g/L). La presión de vapor del metamidofos es de aproximadamente 3.5 x 10-5 mm Hg.(12) Tabla I.4 Propiedades físico- químicas del metamidofos. Peso molecular 141.129182 g/mol Formula molecular C2H8NO2PS XLogP3 -0.9 Recuento de enlaces donadores de 1 hidrogeno Recuento de enlaces aceptores de 4 hidrogeno Recuento de enlaces giratorios 2 Complejidad 95.7 Recuento de unidades unidas 1 covalentemente Densidad 1.27 g/cm3 a 20 º C Estabilidad respecto al pH Estable de 3 - 8 Índice de refracción 1.5092 a 40 º C Corrosividad Corrosivos para las aleaciones que contienen acero y cobre. Incompatible con pesticidas alcalinos. Fuente: Elaboración propia. 25 Afecta al sistema nervioso inhibiendo la acetilcolinesterasa, que es una enzima esencial para la transmisión normal de los impulsos nerviosos. Puede absorberse por ingestión, inhalación y contacto con la piel, causando irritación de los ojos y la piel, aumento de las secreciones nasales y bronquiales, paro respiratorio, calambres, convulsiones, náuseas, espasmos, hipotensión, bradicardia y miosis. En los mamíferos, la biotransformación da lugar a la formación de metabolitos que son toxicológicamente insignificantes (IPCS, 1986; IPCS, 1993), es toxico para peces (CL50 a 96 horas y 34 ppm), invertebrados acuáticos (EC50 48 horas: 0.27 mg/l), aves (DL50 por vía oral: 8-50 mg/kg de peso corporal) y abejas.(12) Por lo tanto, ha sido clasificado como sumamente peligroso (1b) por la OMS, sumamente toxico (categoría 1) por la EPA y muy tóxico (T+) por la UE.  Es fatal si se ingiere, en contacto con la piel o si es inhalado.  Causa irritación ocular.  Provoca daños en el sistema nervioso central.  Toxico para la vida acuática.  Efectos nocivos duraderos. Figura I. 8 Señales de peligro para el metamidofos. Es rápidamente metabolizado en los sistemas microsomales, las cuales rompen los enlaces P–N transformándolo en 0, S-dimetil fosforotioato y amoniaco. Luego ocurren las desmetilaciones primero en el enlace P-S y luego en el enlace P-O para finalmente liberar ácido fosfórico. En la figura I.9 se muestran las principales rutas metabólicas del metamidofos dentro del organismo. 26 Figura I. 9 Ruta Metabólica del Metamidofos y sus metabolitos. 1.2. Fotocatálisis El término fotocatálisis consiste en la combinación de la fotoquímica y la catálisis (13), por lo tanto la "fotocatálisis" indica aceleración de una fotorreacción debido a la presencia de un catalizador. Esta definición también tiene en cuenta la fotosensibilización (un proceso químico mediante el cual una entidad molecular se altera fotoquímicamente después de la absorción de la radiación por otra entidad 27 molecular llama un fotosensibilizador). Sin embargo, a diferencia de un proceso fotocatalítico, fotosensibilización descarta fotoaceleración de una reacción química, independientemente de si se produce en una fase homogénea o heterogénea. (14) 1.2.1. Fotocatálisis homogénea Los sistemas fotocatalíticos homogéneos más utilizados son foto-Fenton y oxidación fotosensible por el oxígeno singlete. Las principales reacciones foto-Fenton en un ciclo catalítico mediante energía solar se ilustran en la figura I.10. Figura I. 10 Principales reacciones foto-fenton en un ciclo catalítico con energía solar. Los iones férricos hidratados ([Fe (OH)]2+) son foto-reducidos a iones ferrosos en soluciones acuosas ácidas en presencia de radiación solar con longitudes de onda menores que 580 nm, dando lugar a radicales hidroxilos (HO•). Los iones ferrosos se reoxidan a férrico por el peróxido de hidrógeno u oxígeno molecular, produciendo radicales reactivos adicionales, como hidroxilo y radicales hidroperoxilo.(15,16) Estos radicales oxidan rápidamente compuestos orgánicos convirtiéndolos en dióxido de carbono y agua.(17) 28 Las concentraciones de partida de peróxido de hidrógeno y iones ferrosos influyen críticamente la eficiencia general del proceso de oxidación solar, las tasas de oxidación generalmente aumentan con concentraciones iniciales de iones de hierro y peróxido de hidrógeno (18), sin embargo, un exceso de iones ferrosos o peróxido de hidrógeno puede causar la inhibición del proceso de oxidación fotoquímica solar, debido a que estas especies pueden competir con los compuestos orgánicos como eliminadores de radicales hidroxilo (19,20): Fe2+ + HO• → Fe3+ + HO- H2O • • 2 + HO → H2O + HO2 1.2.2. Fotocatálisis heterogénea Un fotocatalizador heterogéneo es una sustancia semiconductora que puede ser activada químicamente por la radiación. A diferencia de los metales que tienen estados electrónicos continuos, los semiconductores tienen un vacío de energía donde no hay niveles de energía disponibles para promover la recombinación de un electrón y el hueco producido por la foto-activación (Figura I.11).(21) Figura I. 11 Esquematización de los estados electrónicos en metales, semiconductores y aislantes. Un modelo de banda es a menudo utilizado para la representación esquemática de las estructuras electrónicas de los materiales foto-semiconductores. Si un foto- semiconductor es irradiado por la luz con la energía necesaria o mayor a la energía de su brecha energética (Eg), un electrón (e-) en la banda de valencia llena (VB) será excitado a una banda de conducción vacía (CB), dejando un hueco positivo (h+) en la 29 VB. Estos electrones fotogenerados y huecos positivos conducen a una reducción y oxidación, respectivamente, de compuestos que no necesariamente son adsorbidos en la superficie del fotocatalizador.(22) Los huecos positivos de la banda de valencia (hVB +) son potentes oxidantes, mientras que, los electrones banda de conducción (eCB-) son reductores. Debido a sus estructuras electrónicas, los fotocatalizadores heterogéneos pueden actuar como mediadores en procesos químicos redox. El primer paso es la formación de portadores de carga por un fotón. Los electrones excitados y los huecos tienden a recombinarse muy rápidamente y disipar la energía en forma de calor. El fuerte poder oxidante del hueco positivo puede permitir una etapa de oxidación de un electrón con agua, normalmente presente en el sistema, para producir radicales hidroxilos (HO●): H2O + hVB+→HO• + H+ Figura I. 12 Ilustración esquemática del mecanismo básico de un proceso fotocatalítico heterogéneo. La recombinación del par electrón-hueco puede ocurrir en (A) la superficie o (B) en la masa de la partícula semiconductora. La migración de los electrones 30 fotogenerados a la superficie del semiconductor puede conducir a la reducción de un aceptor de electrones (C). Así mismo, la migración de los huecos fotogenerados a la superficie puede conducir a la oxidación de un donante de electrones (D). El proceso de transferencia de electrones es más eficiente si la especie está pre-adsorbida sobre la superficie.(21) Al haber presencia de aire, debemos suponer que el oxígeno puede actuar como un aceptor de electrones y por tanto reducirá en los electrones en la banda de conducción para formar un ion superóxido, que también es un poderoso oxidante. La amplitud de la banda prohibida o brecha energética es una medida de la fuerza del enlace químico.(23) Entre los foto-semiconductores tenemos ZnO, WO3, MoO3, ZrO2, SnO2, α- Fe2O3, TiO2, etc. El TiO2 es uno de los candidatos más prometedores para aplicaciones solares comerciales, debido a su estabilidad fotoquímica y alto poder de oxidación (3,2 eV vs NHE, con una longitud de onda de 388 nm).(24) Los inconvenientes del óxido de titanio, son que absorbe sólo en la región ultravioleta, que es de sólo 3-4% de la energía solar que llega a la superficie terrestre, y la alta tasa de recombinación del par electrón / hueco (eBC - / hVB+). Esto ha motivado el desarrollo de fotocatalizadores de TiO2 capaces de absorber en la luz visible.(25) Aunque la fotocatálisis se aplicó inicialmente para el tratamiento del agua, la atención también se ha dirigido hacia el tratamiento del aire. La desintoxicación fotocatalítica de compuestos orgánicos volátiles es generalmente más eficiente en la fase de gas en comparación con la fase líquida.(26) Las reacciones implicadas en la degradación fotocatalítica con TiO2 se describe a continuación:(27) 𝑇𝑖𝑂 − + 2 + ℎ𝑣 → 𝑇𝑖𝑂2(𝑒𝐶𝐵 + ℎ𝑉𝐵) 𝑇𝑖𝑂2(ℎ + 𝑉𝐵) + 𝐻2𝑂𝑎𝑑 → 𝑇𝑖𝑂2 + 𝑂𝐻 . + 𝑎𝑑 + 𝐻 (oxidación) 𝑇𝑖𝑂 + − . 2(ℎ𝑉𝐵) + 𝑂𝐻 𝑎𝑑 → 𝑇𝑖𝑂2 + 𝑂𝐻 𝑇𝑖𝑂 (𝑒− ∙− 2 𝐶𝐵) + 𝑂2 → 𝑇𝑖𝑂2 + 𝑂2 (𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛) 31 𝑂∙−2 + 𝐻 + →𝐻𝑂∙2 𝑂∙− ∙ ∙ 2 + 𝐻𝑂2→𝑂𝐻 + 𝑂2 + 𝐻2𝑂2 2 𝐻𝑂∙2→𝑂2 +𝐻2𝑂2 𝑇𝑖𝑂 (𝑒− − ∙ 2 𝐶𝐵) + 𝐻2𝑂2 → 𝑇𝑖𝑂2 + 𝑂𝐻 + 𝑂𝐻 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑥𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑖𝑣𝑎 𝑂𝐻∙ + 𝑅 − 𝐻 → 𝑃𝑟𝑜𝑑. 𝑖𝑛𝑡.→ 𝑀𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝐶𝑂2, 𝐻2𝑂, 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 ) Los procesos de transferencia de electrones entre las especies adsorbidas y semiconductor dependen de la posición de la brecha energética y el potencial redox de las especies adsorbidas. La posición de borde de la banda de diferentes semiconductores vs el electrodo estándar de hidrógeno (SHE) se ilustra en la Figura I.13. El potencial de borde de la banda sigue una dependencia del pH de Nernst, la disminución de 59 mV por unidad de pH, por lo tanto, el potencial de los electrones y los huecos fotogenerados puede controlarse por cambios en el pH.(26) Figura I. 13 La posición de borde de la banda de varios semiconductores vs el electrodo de hidrógeno estándar (SHE) a pH 0.(28) 32 Tabla I. 5 Brecha energética y su correspondiente longitud de onda requeridos para la excitación de varios Semiconductores. Semiconductor Energía de la Band gap (eV) Longitud de onda (nm) TiO2 (rutilo) 3.0 413 TiO2 (anatasa) 3.2 388 ZnO 3.2 388 ZnS 3.6 335 CdS 2.4 516 Fe2O3 2.3 539 WO3 2.8 443 Fuente: Rajeshwar and Ibanez (1997) and Hoffmann et al., (1995).(29,30) 1.2.2.1.Fuentes de radiación La fuente de radiación ultravioleta (UV), es una parte muy importante del proceso fotocatalítico. La radiación ultravioleta se refiere a la radiación electromagnética en el rango de longitud de onda de 200 – 400 nm: UVA cubre 315- 400 nm (3.10 a 3.94 eV), UVB 280 - 315 nm (3.94 a 4.43 eV) y UVC 200-280 nm (4.43 a 12.4 eV).(31) Las lámparas UV artificiales pueden ser útiles para procesos fotocatalíticos. Las fuentes de UV artificiales están hechas de diferentes metales como mercurio, sodio, zinc / cadmio y gases nobles (neón, argón). Las líneas de emisión de mercurio son por lo general en el intervalo deseado de la energía para la conducción de las reacciones fotoquímicas. Las lámparas UV artificiales (Tabla I.6), se pueden agrupar en la lámpara de mercurio de baja presión, lámpara de mercurio de presión media y lámpara de mercurio de alta presión. Un inconveniente de la energía solar, sin embargo, es su intermitencia y la variabilidad con ambos factores son geográficamente dependiente.(32) La energía solar no se puede utilizar eficazmente para los procesos fotoquímicos homogéneos desde los reactivos típicos tales como H2O2 y O3 no absorben significativamente la radiación por encima de 300 nm y ninguna de la radiación recibida en la superficie de la tierra está por debajo de 300 nm.(33) Por lo 33 tanto, la aplicación de la luz solar está claramente favorecida en los procesos heterogéneos fotocatalíticas frente a su aplicación en fotoreactores homogéneos. Tabla I. 6 Fuentes de luz UV artificial. Parámetro Lámpara de Lámpara de Lámpara de mercurio de baja mercurio de mercurio de alta presión mediana presión presión Tiempo de vida (h) >5000 >2000 >3000 Rango de salida 80% en un rango Amplia pero no Fuerte por debajo estrecho alrededor mucho por debajo de los 250 nm. de 254 nm. de 250 nm Densidad Baja (~ 1 W/cm) Moderada (~ 125 Alta (~ 250 W/cm) energética W/cm) La energía Alta (~ 30%) Moderada (~15% Alta (~ 30% para eléctrica a la para 200 – 300 nm) 200 – 300 nm) energía del fotón Fuente: Clasificación según Bolton et al., (1995).(33) 1.3.Óxido de Zinc El óxido de zinc (ZnO) es un material semiconductor tipo II-VI, con una brecha energética de 3.37 eV (34), sus estructuras cristalinas son comúnmente sal de roca, wurtzita o blenda de zinc (estructura cúbica). La estructura de la sal de roca de ZnO es bastante rara, mientras que la wurtzita tiene mayor estabilidad termodinámica entre las tres estructuras, además de ser la más común (35–37), tiene una estructura cristalina hexagonal a presión y temperatura ambiente, pertenece al grupo espacial P63mc y exhibe una estructura no centro-simétrica, que permite las propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas.(38) La Figura I.14 muestra las estructuras de sal de roca, blenda de zinc y Wurtzita de ZnO.(39) Cada sub-red contiene cuatro iones Zn2+ rodeados por cuatro iones O2- y viceversa, coordinados en los bordes de un tetraedro.(34) Esta coordinación tetraédrica formará simetría polar lo largo del eje hexagonal que induce el efecto de la piezoelectricidad y la polarización espontánea en el cristal wurtzita.(40,41) 34 Figura I. 14 Estructuras cristalinas de ZnO: (a) sal de roca- cúbica, (b) blenda de zinc- cúbica y (c) wutrzita-hexagonal. Las esferas sombreadas en gris y negras representan átomos de Zn y O, respectivamente.(37) Kohan et al. y Van de Walle calcularon recientemente las energías de formación y la estructura electrónica de los defectos puntuales nativos e hidrógeno en ZnO. Los resultados de los cálculos para vacancias de oxígeno y zinc, sitios intersticiales y antisitios en ZnO se muestran en la figura I.15. Existen dos sitios intersticiales posibles en ZnO tipo wurzita. Figura I. 15 Energía de formación calculada para los principales defectos puntuales intrínsecos en ZnO como función del nivel de Fermi. (a) Condiciones de Zn abundante y (b) condiciones de O abundante.(37) Las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas del ZnO pueden ser modificados o mejorados por el uso de ZnO en la nanoescala.(42,43) El ZnO es un material respetuoso del medio ambiente, ya que es compatible con organismos vivos, se presta muy bien a una amplia gama de aplicaciones diarias que no dejarán ningún riesgo para la salud humana y los impactos ambientales.(43) El ZnO ha recibido mucha 35 atención en la degradación y mineralización completa de los contaminantes ambientales.(44–46) El ZnO tiene casi la misma brecha energética que el TiO2 (3,2 eV). Por otra parte, es relativamente barato en comparación con TiO2. (47) La mayor ventaja de ZnO es la capacidad de absorber una amplia gama del espectro solar y más cuantos de luz que algunos óxidos metálicos semiconductores.(48) Los principales inconvenientes de ZnO son la brecha energética y la foto-corrosión. La absorción de la luz de ZnO se limita en la región de la luz visible que es debido a su energía de banda ancha. Esto da como resultado la recombinación rápida de las cargas foto- generadas causando baja eficiencia fotocatalítica.(49) Tabla I. 7 Las propiedades ópticas y eléctricas de wurtzita. Fuente: Adaptado y modificado a partir de Jagadish y Pearton, 2006. 1.3.1. Factores que afectan a la eficiencia de la foto degradación con ZnO (50) 1.3.1.1.Cantidad La tasa de fotodegradación inicialmente aumenta con el aumento en la cantidad de catalizador hasta alcanzar una cantidad óptima (aumento del área superficial activa y de sitios de reacción sobre la superficie del catalizador), sin embargo, el porcentaje 36 de la fotodegradación decrece a dosis más altas de fotocatalizador (menor dispersión de la luz, efectos de apantallamiento, aglomeración).(51–55) 1.3.1.2.Estructura El ZnO nanoestructurado (nanorods, nanocables, nanoláminas, nanodumbbells, nanocintas, nanotetrapods, nanoflores y discos nanospiral) tiene un tamaño de nanoescala con una mayor área de superficie. Una alta relación superficie- volumen ofrece mejores propiedades físico-químicas.(56) 1.3.1.3.Sustrato La eficiencia de la degradación se reduce cuando la concentración de sustrato aumenta, debido al hecho de que a más contaminantes orgánicos adsorbidos en la superficie del catalizador, mayor demanda de especies oxidantes (•OH y •O2-) para la degradación de los compuestos orgánicos. Sin embargo, el número de sitios activos sobre la superficie del catalizador se mantiene constante para una dosificación de catalizador, intensidad de la luz y el período de irradiación fijo, por lo tanto, la generación de radical hidroxilo es insuficiente, ya que hay sólo unos pocos sitios activos disponibles para la adsorción de iones hidroxilo. Por otra parte, los fotones son interceptados antes de que puedan llegar a la superficie del catalizador. (57–61) 1.3.1.4.pH de la solución El pH juega un papel vital, porque no sólo afecta a la carga superficial de las partículas de catalizador (Haque et al., 2006), sino que también influye en las posiciones de bandas de conducción y de valencia en un semiconductor (Chong et al., 2010). Sin embargo, las aguas residuales tienen un rango variable de pH, esto hace que el proceso fotocatalítico sea más complicado. Generalmente, un compuesto orgánico es neutro cuando el pH de la solución es inferior a su valor de pKa. Cuando el pH de la solución es mayor que el valor de pKa, el compuesto este desionizado y existe como especie con carga negativa. Además, el pH de la solución tiene un impacto en la interacción electrostática entre la superficie de catalizador, las moléculas del disolvente, el sustrato y los radicales cargados formados durante el proceso de fotodegradación. La protonación y desprotonación de los compuestos orgánicos y la 37 superficie de fotocatalizador podrían ocurrir ya sea en ácido o en condiciones alcalinas como se muestra en las siguientes reacciones: 𝑝𝐻 < 𝑝𝑧𝑐: 𝑀𝑂𝐻 + 𝐻+ →𝑀𝑂𝐻+2 𝑝𝐻 > 𝑝𝑧𝑐: 𝑀𝑂𝐻 + 𝑂𝐻− →𝑀𝑂𝐻− + 𝐻2𝑂 Por lo tanto, la superficie del semiconductor está cargado positivamente por debajo de su valor pzc y se carga negativamente cuando se excede su pzc. Los huecos fotogenerados (h+) son las especies oxidantes predominantes a pH bajo, mientras que en medio neutro o alcalino, los radicales hidroxilo juegan el papel principal en la oxidación de los contaminantes orgánicos.(62)Sin embargo, también debe tenerse en cuenta que los radicales hidroxilo son eliminados rápidamente a pH alto (la abundancia de los iones hidroxilo inhibe su reacción con el sustrato contaminante).(63) Por lo tanto, el pH debe ser cuidadosamente seleccionado para garantizar un proceso de degradación fotocatalítica eficiente. 1.3.1.5.Intensidad de luz La velocidad de reacción fotocatalítica depende de la absorción de la luz por un fotocatalizador en proceso fotocatalítico.(48,58) Por otra parte, se controla la formación de pares electrón-hueco en el proceso de fotocatálisis. En un n-tipo de semiconductor tales como ZnO y TiO2, el número de huecos foto-inducidos en la banda de valencia es mucho menor que los electrones fotogenerados en la banda de conducción. Los huecos fotogenerados son las especies activas limitantes.(64) A mayores intensidades de luz, la velocidad de fotodegradación es independiente del flujo radiante (φ0). Bajo esta condición, la velocidad de reacción depende sólo de la transferencia de masa dentro de la reacción. Esto es debido a que la superficie del catalizador está completamente cubierta por los sólidos, lo que limita la transferencia de masa tanto para la adsorción y desorción. Por lo tanto, la velocidad de reacción se mantiene constante a pesar de un aumento en la intensidad de la luz. 1.3.1.6.Longitud de onda La luz UVA proporciona fotones de luz suficiente para la activación fotónica del TiO2 para la fotodegradación de 1,8-diazabiciclo, por lo general, la eficacia 38 fotocatalítica es superior a 254 nm.(65) Sin embargo, en la fotodegradación de 4- clorofenol, se encontró una eficiencia de degradación inferior a 254 nm, esto se debe a la emanación de la luz y su absorción parcial por parte del 4-clorofenol.(66) 1.3.1.7.Temperatura La temperatura óptima para el proceso fotocatalítico está en el intervalo de 20 a 80 ⁰C.(67) En general, un aumento en la temperatura de reacción puede aumentar la velocidad de degradación de los contaminantes orgánicos, sin embargo, también puede reducir las capacidades de adsorción de las especies de reactivas y el oxígeno disuelto. Esto se confirma con la ecuación de Van't Hoff-Arrhenius, donde la velocidad de reacción química constante, k es linealmente proporcional a EXP(-1/T). 1.3.1.8.Especies inorgánicas La recombinación de pares electrón-hueco se debe evitar para asegurar el proceso fotocatalítico para trabajar de manera más eficaz. La adición de oxidantes inorgánicos mejora la velocidad de fotodegradación por:  Aumento del número de electrones atrapados para evitar la recombinación de par electrón-hueco.  Generar más radicales y otras especies oxidantes para oxidar los intermediarios reactivos generados.  El aumento de la concentración de radicales hidroxilo y velocidad de oxidación de los compuestos intermedios  Evitar los problemas causados por la baja concentración de oxígeno.(68–70) 1.4.Métodos de determinación de pesticidas organofosforados Elegir una técnica analítica, depende de una variedad de factores como el costo, disponibilidad, selectividad, sensibilidad, propiedades de los analitos y capacidad de análisis. Para el caso de los pesticidas, su determinación se lleva a cabo mediante técnicas cromatograficas. 39 1.4.1. Cromatografía liquida de alto desempeño (HPLC) Es un modo de cromatografía y una de las técnicas analíticas más utilizadas. El proceso cromatográfico se puede definir como la técnica de separación de transferencia de masa entre la fase estacionaria sólida y la fase móvil liquida. Los componentes son primero disueltos en un disolvente y forzado a fluir a través de una columna cromatográfica donde la mezcla se separa en sus componentes. La resolución es importante y depende de la interacción entre los componentes del soluto y la fase estacionaria. (71) 1.4.1.1.Partes del sistema HPLC  Reservorios de solvente. Sirven de almacén para los solventes HPLC para la operación continua del sistema, puede equiparse con un desgasificador y filtros especiales que aíslan al solvente del efecto del medio ambiente.(71)  Bomba. Permite el flujo constante y continuo de la fase móvil a través del sistema, las bombas más modernas permiten controlar la mezcla de diferentes solventes.(71)  Inyector. Permite la introducción de la mezcla de analitos en la corriente de la fase móvil antes de entrar en la columna.(71)  Columna. Es la parte más importante del sistema HPLC, responsable de la separación de los analitos de la mezcla. En la mayoría de los casos son un tubo de acero inoxidable lleno de muy pequeñas partículas de material poroso rígido (1 – 5 µm). (71)  Detector. Permite el registro continuo de las propiedades físicas específicas de la columna de efluentes. El detector más utilizado es el de UV, el cual permite monitorizar la absorbancia UV a una determinada longitud de onda o en un lapso de longitudes de onda (arreglo de diodos).(71)  Sistema de control y adquisición de datos. El sistema informático permite controlar los parámetros del instrumento de HPLC y adquiere los datos del detector y los monitorea.(71) 40 Figura I. 16 Diagrama del sistema HPLC. 1.4.1.2.Tipos de HPLC Según la naturaleza de la fase estacionaria y el proceso de separación, se tienen tres modos:(71)  Cromatografía de adsorción: La fase estacionaria es un adsorbente (sílica gel o sílica), la separación se basa en repetir los pasos de adsorción y desorción. Dentro de este tipo se tienen dos subgrupos (Normal y Reversa).  Cromatografía de intercambio iónico: La fase estacionaria tiene carga iónica, esta técnica se utiliza muestras ionizables, la fase móvil es un tampón acuoso, donde se utiliza tanto el pH y la fuerza iónica para controlar el tiempo de elución.  Cromatografía de exclusión de tamaño: Conocida como cromatografía de permeación en gel. Hay dos tipos de elución: Isocrática y gradiente. 1.4.1.3. Fases móviles El orden de elución de los solutos en HPLC se rige por la polaridad. En una separación de fase normal los solutos menos polares pasan proporcionalmente menos tiempo en la fase estacionaria polar y son los primeros en eluir de la columna. Los 41 tiempos de retención se controlan mediante la selección de la fase móvil, una fase móvil menos polar lleva a los tiempos de retención más largo. Si, por ejemplo, una separación es pobre porque los solutos están eluyendo con demasiada rapidez, el cambio a una fase móvil menos polar lleva a tiempos de retención más largos y más oportunidades para una separación aceptable. Cuando dos solutos tienen adecuada resolución el cambio a una fase móvil más polar puede proporcionar una separación aceptable con un tiempo de análisis más cortos. En una separación de fase inversa el orden de elución se invierte, siendo los solutos polares los primeros en eluir. El aumento de la polaridad de la fase móvil lleva a tiempos de retención más largos, mientras que tiempos de retención más cortos requieren de una fase móvil de baja polaridad.(71) Tabla I. 8 Polaridad de los solventes utilizados para la fase móvil de HPLC. Fase móvil Índice de polaridad Longitud de onda (nm) Ciclohexano 0.04 210 N – hexano 0.1 210 Tetracloruro de carbono 1.6 265 Propil éter 2.4 220 Tolueno 2.4 286 Dietil eter 2.8 218 Tetrahidrofurano 4.0 220 Etanol 4.3 210 Acetato de etilo 4.4 255 Dioxano 4.8 215 Metanol 5.1 210 Acetonitrilo 5.8 190 Agua 10.2 - Fuente: Tomado de High Performance Liquid Chromatography in Pesticide Residue Analysis (72) Para la elección de la fase móvil varios índices se han desarrollado para ayudar a seleccionar una fase móvil, el más útil es el índice de polaridad que proporciona valores para el índice de polaridad P', de varias fases móviles de uso general, en los que mayores valores de P' corresponden a solventes más polares.(71) 42 1.5.Análisis de antecedentes investigativos: Zhang et al. (2006), estudió la degradación fotocatalítica de metamidofos con nano-TiO2, evaluando factores como la naturaleza y la concentración del fotocatalizador, el pH y aditivos oxidantes. Se encontró que el catalizador nano-TiO2 tiene mayor actividad fotocatalítica que el TiO2 comercial, concluyeron que tanto la temperatura de tratamiento y la concentración del catalizador exhiben un efecto directo en este proceso, la tasa de degradación de metamidofos podría llegar a aproximadamente 83,55% en los primeros 5 min, mucho más rápido que la velocidad de degradación reportada en la literatura.(73) Un estudio similar realizado por los mismos autores señalan que los valores de pH casi no influyen en la eficiencia de la degradación del metamidofos. En dicha investigación el pH de la solución de metamidofos es 6,82, por lo que el proceso del experimento no tuvo necesidad de pH controlado. (74) Liu Wei et al. (2008), investigaron la degradación de metamidofos en una solución acuosa mediante el uso de TiO2 como fotocatalizador. La degradación se estudió bajo diferentes condiciones tales como la cantidad de fotocatalizador, tiempo de iluminación, pH del sistema, la temperatura de reacción, la concentración inicial de contaminante, aceptores de electrones, iones metálicos y la presencia de aniones. Los resultados mostraron que la degradación fotocatalítica de metamidofos fue fuertemente influenciada por estos parámetros, concluyendo que la cantidad optima de fotocatalizador fue de 12,0 g/L, además la eficiencia de la fotodegradación aumenta con el aumento del tiempo de iluminación, así mismo los medios alcalinos son favorables para la degradación fotocatalítica de metamidofos.(70) Dai Ke et al. (2008), evaluaron la degradación fotocatalítica de metamidofos comercial (MAP) en una suspensión acuosa con óxido de titanio mesoporoso (m- TiO2). Reportando una tasa de mineralización del 95% después de 4 horas de irradiación UV, la determinación fue por cromatografía iónica evaluando los productos finales (NO3-, PO 3- 4 y SO 2- 4 ), la cinética de degradación del MAP fue de primer orden y fue monitorizada mediante el análisis con GC-PFPD.(75) Dang Quang (2002), investigó la mineralización de pesticidas organofosforados altamente tóxicos, como el metamidofos (5 ppm). Utilizando dos 43 lámparas UV, una de alta presión (HP) y otra de baja presión (LP) con la adición de H2O2 al 50%, los resultados indican que cuando se utilizó la lámpara HP, el metamidofos fue degradado en 22,9 min sin H2O2.(7) Una alternativa para mejorar la eficiencia fotocatalítica del ZnO, TiO2 u otro semiconductor es dopándolos con sustancias capaces de retardar la recombinación del par electrón-hueco y disminuir la brecha energética necesaria para la excitación del electrón a un estado excitado, así por ejemplo: Marta Cruz et al. (2015), evaluaron la actividad fotocatalítica de dióxido de titanio en una base de óxido de grafeno (GO-TiO2), utilizando luz UV-VIS sobre una mezcla de cuatro plaguicidas (diuron, alaclor, atrazina y isoproturón), evaluando la influencia de dos matrices de agua (agua ultra pura y natural). El agua natural condujo a una disminución en la degradación de los contaminantes estudiados cuando se empleó el fotocatalizador TiO2, debido a la presencia de especies inorgánicas y orgánicas que se disuelven y comúnmente frenan el proceso fotocatalítico, sin embargo, el catalizador modificado GO-TiO2 parece ser menos afectado por la variación de la matriz de agua.(76) Por otra parte, ShiTong Han et al. (2008), investigaron la degradación fotocatalítica de acefato en suspensiones de TiO2 concluyendo que la degradación casi completa de acefato se logró trabajando con una concentración de 4 g/L de TiO2, así mismo se calculó la constante de adsorción y velocidad constante, siendo 2,0 L/mmol y 0,6 mmol/ (min L), respectivamente. Demostraron también que en condiciones ácidas, los productos primarios son el ácido fosforotioico, y ácido fosforoamidotioico entre otros en menor proporción. (77) En conclusión, en los últimos años, la aplicación de los procesos fotocataliticos heterogéneos para la purificación de agua ha ganado amplia atención debido a su eficacia en la degradación y mineralización de los compuestos orgánicos recalcitrantes, así como la posibilidad de utilizar la UV solar y el espectro de luz visible, la degradación fotocatalítica de compuestos orgánicos depende del tipo y la composición del fotocatalizador , la intensidad de la luz, la concentración inicial de sustrato, cantidad de catalizador, el pH del medio de reacción, los componentes iónicos en agua, tipos de disolventes, agentes oxidantes / aceptores de electrones, el modo de 44 aplicación de catalizador. Una cantidad considerable de investigaciones se ha centrado en la mejora de TiO2 mediante la modificación con metal o no metal. Es evidente que la fotocatálisis tiene un buen potencial para eliminar una variedad de contaminantes orgánicos. Sin embargo, todavía hay una necesidad de determinar la utilidad práctica de esta técnica en una escala comercial.(78) 45 CAPITULO II MATERIALES Y METODOS 2.1.Tipo de investigación El presente proyecto se enmarca dentro de una Investigación aplicada, experimental. 2.2.Materiales 2.2.1. Materiales, reactivos y equipos:  Placas Petri de vidrio de120 x 25 mm.  Stirrers magnéticos.  Tubos de vidrio con tapa rosca.  Pipetas volumétricas de 2 mL.  Sistema de filtración a vacío.  Crisol de platino.  Mortero de porcelana  Estándar de metamidofos 20000 ppm, fluka analytical, HPLC 98.6%.  Acetato de zinc p.a.  Urea grado p.a.  Acetonitrilo grado HPLC  Metanol grado HPLC  Ácido ortofosfórico  Hidróxido de sodio grado p.a.  Ácido sulfúrico grado p.a.  Óxido de zinc grado comercial  Lámpara UV de 30 W (longitud de onda de emisión de 365 nm).  Balanza analítica sensibilidad 0,1 mg, marca OHAHUS.  pHmetro, marca Metrohm 827.  Agitador magnético analógico Cimarec con calefacción, THERMO SCIENTIFIC®.  Mufla Thermolyne 1300  Estufa 46  Dispensador de agua ultra pura EASYpure II.  Equipo HPLC Hitachi primaide con arreglo de diodos. 2.3.Métodos. 2.3.1. Parámetros de validación del método de determinación de metamidofos por HPLC – DAD Se validará un método cromatográfico para la determinación de Metamidofos, para la validación del método se utilizará un estándar primario de Metamidofos 20000 ppm, fluka analytical, HPLC 98.6% y se valorará en un equipo de cromatografía liquida de alta eficacia con arreglo de diodos, para la validación se evaluarán los siguientes parámetros:  Linealidad  Exactitud  Precisión  LDD y LDQ 2.3.1.1.Linealidad: Se define como la capacidad de un método para proporcionar resultados directamente proporcionales a la concentración del analito en la muestra dentro de un rango establecido. Para evaluar la linealidad se construirán graficas de concentración – respuesta, siendo la concentración dependiente del método. La relación matemática entre ambas variables será representada por una recta de regresión del tipo: 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 Considerar que, si la recta no pasa cerca del origen de las coordenadas, significa que el método está afectado por un error sistemático por defecto o por exceso en el intervalo estudiado. 47 El estudio de la linealidad no solo implica una representación gráfica, sino que es necesario realizar una comprobación estadística. Para realizar esta evaluación es necesario utilizar las siguientes formulas: 𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 ∑𝑋 ∑𝑌 ∑𝑋𝑖𝑌𝑖 − 𝑖 𝑖 𝑏 = 𝑛 2 ∑𝑋2 (∑𝑋𝑖) 𝑖 − 𝑛 ∑𝑌𝑖 − 𝑏∑𝑋𝑖 𝑎 = 𝑛 Siendo a y b los estimadores de la ordenada al origen y pendiente respectivamente, n es el número de mediciones, 𝑋𝑖 la concentración y 𝑌𝑖 el valor medido en el ensayo. ∑𝑋𝑖 ∑𝑌∑𝑋𝑖𝑌𝑖 − 𝑖 𝑟 = 𝑛 2 (∑𝑋𝑖)2 2 (∑𝑌)2 √(∑𝑋𝑖 − ∑ 𝑛 )( 𝑌𝑖 − 𝑖 𝑛 ) El coeficiente de correlación (r) nos indica el grado de relación entre la variable X y la variable Y. Su valor máximo es 1. Si r es cercano a la unidad significa que existe correlación con una probabilidad elevada. En la práctica, r es generalmente mayor a 0.99 y los valores menores de 0.90 son raros. Sin embargo, el mejor indicador del modelo lineal no es r sino un test estadístico, en el cual se calcula un valor de t con n- 2 grados de libertad y se compara con el valor t tabulado para el nivel de confianza requerido. |𝑟|√𝑛 − 2 𝑡𝑟 = √(1 − 𝑟2) Si el valor observado de t es mayor que ttabla, la correlación es lineal, significativa con la probabilidad calculada.(71) 2.3.1.2.Precisión: Expresa el grado de concordancia entre una serie de medidas de tomas múltiples a partir de una misma muestra homogénea en las condiciones prescritas. 48 El objetivo del estudio es conocer la variabilidad del método de ensayo. Esta variabilidad se debe a los errores aleatorios inherentes a todo método de ensayo. Los factores a influir sobre los resultados de un ensayo no pueden ser siempre controlados (analista, equipo instrumental, reactivos, etc.) de aquí la importancia del estudio de la precisión.(71) Repetibilidad: Estudia la variabilidad del método efectuando una serie de análisis sobre la misma muestra en las mismas condiciones operativas (por un mismo analista, mismos aparatos y reactivos, etc.) en un mismo laboratorio en un periodo de tiempo corto.(71) Precisión intermedia: Estudia la variabilidad del método efectuando una serie de análisis sobre la misma muestra, pero en condiciones operativas diferentes (diferentes analistas, aparatos, días, etc.) en un mismo laboratorio.(71) La precisión de un método se expresa generalmente como el coeficiente de variación (CV) de una serie de medidas y se calcula matemáticamente de la siguiente manera: 𝐶𝑉(%) = 𝑠⁄𝑥 × 100 Donde: s: Desviación estándar x: Media aritmética Además, se recomienda introducir los intervalos de confianza en el estudio de la precisión. Estos intervalos deben determinarse para cada nivel de concentración estudiada. Los intervalos de confianza se calculan a partir de: 𝑥 ± 𝑡 × 𝑠 Donde: x: Media de una serie de resultados obtenidos en un mismo nivel de concentración t: Valor t de student de tablas para n-1 grados de libertad y α=0.05 s: Desviación estándar 49 Tabla II. 1 Valores aceptables de CV según la AOAC. Concentración Coeficiente de variación (CV) 100% 1 % 10% 1.5 % 1% 2 % 0.1% 3 % 0.01% 4 % 10 µg/g (ppm) 6 % 1 µg/g 8 % 10 µg/kg (ppb) 15 % Fuente: AOAC Guidelines for single Laboratory La precisión estudia la variabilidad que existe entre los diferentes resultados, pero sin tener en cuenta su proximidad al valor real. En la tabla II.1 se encuentran los valores aceptables de CV. 2.3.1.3.Exactitud: La exactitud de un procedimiento analítico expresa la proximidad entre el valor que es aceptado convencionalmente como valor verdadero o un valor de referencia y el valor experimental encontrado.(71) Existen diversos modos de demostrar la exactitud de un método entre los que son de utilidad:  Principio activo puro  Placebo cargado con el analito  Muestra problema cargada con el analito Se recomienda demostrar la exactitud de un método con un mínimo de 9 determinaciones sobre 3 niveles de concentración del analito. Para este parámetro dependiendo del método a validar se tomarán distintos niveles de concentraciones. La exactitud se expresa en porcentaje de recuperación en la valoración de una cantidad conocida de analito añadida sobre la muestra. 50 Concentración hallada Porcentaje de recuperación (R) = × 100 Concentración teorica La recuperación depende de la matriz de la muestra, del procedimiento de preparación de la muestra y de la concentración del analito en la misma. En la tabla II.2 se presentan los valores de recuperación orientativos aceptables según la AOAC.(71) Tabla II. 2 Valores de porcentajes de recuperación según la AOAC. Concentración Límites de recuperación 100% 98 -101 % 10% 95 -102 % 1% 92 -105 % 0.1% 90 - 108 % 0.01% 85 - 110 % 10 µg/g (ppm) 80 - 115 % 1 µg/g 75 - 120 % 10 µg/kg (ppb) 70 - 125 % Fuente: AOAC Guidelines for single Laboratory 2.3.1.4.Límite de cuantificación y detección: Se entiende por límite de cuantificación a la mínima cantidad de analito presente en la muestra que se puede cuantificar con una adecuada precisión y exactitud, y por límite de detección a la mínima cantidad de analito en la muestra que se puede detectar, aunque no necesariamente cumple con la precisión y la exactitud. Para su evaluación se:  Determinará la pendiente de la curva de calibración ya examinada para el parámetro de la linealidad que será la que se extrapola.  Se extrapolará a concentración cero la ecuación de la recta, obteniéndose como señal ruido la correspondiente al termino independiente, es decir Ybl.  Se construirá otra recta tomando como eje de ordenadas las desviaciones estándar de las respuestas y como eje de abscisas las concentraciones estudiadas, considerándose que la desviación estándar de las respuestas Sbl corresponderá al valor de la ordenada de origen de esta recta.  Se calculará el límite de detección y el límite de cuantificación aplicando las siguientes formulas: 51 Límite de detección (LDD): 𝑌𝑏𝑙 + 3𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝐷𝐷 = × 𝑏 √𝑛 Límite de cuantificación (LQD): 𝑌𝑏𝑙 + 10𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝑄𝐷 = × 𝑏 √𝑛 2.3.2. Método para la determinación de Metamidofos por HPLC Se hará uso de un equipo HPLC Hitachi primaide con arreglo de diodos. La separación se realizará en una columna de fase reversa con relleno C-18. Las condiciones de trabajo de HPLC serán: 2.3.2.1.Condiciones cromatográficas:(79) Fase móvil : AcN : H2O (10:90) Flujo de la fase móvil : 0.5 mL min-1. Longitud de onda : 215 nm. Detector : UV (ultravioleta). Volumen de inyección : 20 µL. Temperatura : 25 °C. Columna cromatográfica : L=250mm, ID=4,6mm; Supelcosil LC-18 5μm. 2.3.3. Degradación fotocatalítica de metamidofos La actividad fotocatalítica de ZnO se estimará mediante la medición de la velocidad de degradación de la solución acuosa de metamidofos. Las suspensiones se prepararán mediante la adición de diferentes cantidades de catalizador (0.5, 1.0, 2.0 y 3.0 g/L) en 150 mL de solución acuosa de metamidofos con diferentes concentraciones iniciales (iniciales 15, 25, 50 y 100 ppm) la suspensión acuosa que contiene el fotocatalizador y metamidofos será colocada en oscuridad por 30 min para evaluar la adsorción del contaminante a la partícula de catalizador (en las condiciones más 52 optimas), luego se irradiará la suspensión con una lámpara UV (365 nm). La distancia entre la fuente de luz y el reactor que contiene la mezcla de reacción se fijará en 10 cm. Las muestras analíticas (3 mL) se obtendrán de la suspensión a intervalos de tiempo regulares, se filtrarán y se analizarán por HPLC – DAD. Eficiencia fotocatalítica se calculará usando la siguiente expresión: 𝐶 𝜂 = (1 − ) × 100 𝐶0 Donde: C0 es la concentración de metamidofos antes de iluminación. C es la concentración de metamidofos después de la irradiación. Se tomará como mínimo 7 muestras durante todo el proceso de fotocatálisis. El sistema propuesto para realizar los ensayos fotocatalíticos se muestra en la figura II.1. Figura II. 1 Diagrama del sistema de fotocatálisis: (1) lámpara; (2) solución de reacción; (3) agitador magnético; (4) hot plate stirrer; (5) luz UV. Así mismo se tomara una muestra de campo la cual será contaminada ( de ser necesario) y se evaluara la eficiencia de la degradación fotocatalítica. 2.3.4. Modelamiento matemático Para el modelamiento matemático se utilizará el programa de análisis de datos OriginPro 9.0, con el que se evaluarán distintos modelos matemáticos, eligiendo el modelo que mejor se ajuste a los datos experimentales, evaluando el coeficiente de determinación. 53 2.3.5. Estrategia de recolección de datos La parte experimental constará de tres fases, en la primera se procederá a validar la metodología de HPLC para la determinación de metamidofos en una matriz liquida, finalizada esta fase se evaluará la capacidad degradaddora del ZnO para la degradación de metamidofos, se modelará el comportamiento de la cinética de degradación y finalmente se evaluará una muestra real. Análisis estadístico: Una vez obtenidos los datos se determinarán los siguientes parámetros estadísticos: Estadística de medidas repetidas: Promedio, desviación estándar, coeficiente de variación. Pruebas de significación: Comparación de dos medias experimentales, análisis de varianza, prueba de especificidad. Campo de verificación Ubicación espacial Laboratorio de investigación de la universidad Católica de Santa María, pabellón H-202. Ubicación temporal La parte experimental tendrá una duración de 3 meses a partir de la llegada de los reactivos, posterior a esta etapa se realizará el procesamiento de los datos y su respectiva interpretación en el periodo de 1 mes, acto seguido se procederá a la presentación de los resultados. Unidades de estudio  ZnO modificado y sin modificar  Solución de metamidofos 54 CAPITULO III RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1.Preparación de estándar secundario de metamidofos Para la validación del método, se utilizó un estándar primario obtenido de Sigma Aldrich:  Descripción: Methamidophos, PESTANAL®, analytical standard.  Pureza: Methamidophos 97.7 área % (HPLC).  Identificación (NMR): Cumple  Formula: C2H8NO2PS  Peso molecular: 141.13 g/mol  Temperatura de almacenamiento: -20ºC  Usos: Acaricida-insecticida.  Temperatura de fusión: 40 – 45ºC  Agua: 0.2%  Fecha de producción: 11, enero del 2013. Figura III. 1 Estándar  Fecha de expiración: 11, enero del 2016. primario, Methamidophos. 3.2.Preparación de una solución de metamidofos comercial Para efectos del estudio de la cinética de degradación fotocatalítica de metamidofos se hizo uso de metamidofos comercial, utilizando un producto comercial (Figura III.2).  Nombre comercial: STERMIN 600 SL  Ingrediente activo: Metamidophos  Clase de uso: Insecticida  Grupo: Organofosforado  Formulación: Concentrado soluble 55  Composición química: O, S – dimethyl phosphoroamidothioate (Methamidophos) 600 g/L, dietilenglicol y humectantes 570 g/L.  N° de registro SENASA: 321-96-AG-SENASA. Figura III. 2 Estándar secundario, metamidofos comercial (Stermin, TQC). Se prepararon soluciones de estándar primario de metamidofos en fase móvil para los ensayos de validación. Para la identificación y cuantificación de metamidofos se utilizó un cromatógrafo liquido de alta eficacia marca Hitachi primaide (Figura III.4), provisto con un detector UV-VIS con arreglo de diodos, una columna Hypersil GOLD RP-18 Thermo scientific (250 x 4 mm), con un tamaño de partícula de 5 µm y un sistema de calefacción para mantener la temperatura de la columna constante. Con el fin de determinar las condiciones cromatográficas optimas, se varió la proporción del modificador orgánico (Acetonitrilo) en la fase móvil (Acetonitrilo - Agua) con el fin de obtener la elución pura del analito (metamidofos) sobre una columna de fase reversa (RP-18), así mismo para encontrar un adecuado tiempo de retención se varió el flujo del sistema, se realizó la elección de la longitud de onda mediante un scan de una sustancia pura (estándar de metamidofos primario) como se muestra en la Figura III.3. La Figura III.3 muestra la intensidad de la absorbancia de una sustancia pura (estándar de metamidofos) a diferentes longitudes de onda, como se observa, la 56 máxima absorbancia se obtiene a una longitud de onda de 215 nm, se debe considerar los valores de cut off de los solventes utilizados en nuestra fase móvil debido a que podrían afectar en la detección de nuestro analito, los valores de cut off para el Acetonitrilo y el agua ultra pura (up) según bibliografía son 190 nm y 180 nm respectivamente, por lo que no afecta significativamente a la cuantificación del analito.(71,80) Singh et al. (1998), señalan que la solubilidad del metamidofos en agua no depende directamente del pH de la solución, además debido a la desigual electronegatividad de la molécula se tiene una densidad electrónica positiva en el átomo de fosforo y una densidad electrónica negativa en los átomos de O, N y S; a pesar de que a pH 10 el grupo amino del metamidofos esta no ionizado, el insecticida permanece polar, este se disuelve en agua debido a un enlace del tipo dipolo-dipolo, así mismo el metamidofos se podría ionizar por la protonación ya sea del grupo P=O o el grupo NH2 pero no de ambos a la vez por debajo del valor de su pka (pka,=10) todo lo mencionado hace del metamidofos una molécula con un dominio hidrofóbico y un dominio hidrófilo.(81) Esto explica el carácter polar del metamidofos y su comportamiento en la fase estacionaria, también explica porque la fase móvil tiene un mayo contenido de agua respecto a la proporción de Acetonitrilo. La longitud de onda a la cual es determinado el metamidofos corresponde a un valor energético de 5.78 eV, energía necesaria para lograr la excitación electrónica en los estados de transición n→π* y π →π* debido a la instauración que presenta esta molécula, sin embargo algunos compuestos saturados que contienen átomos de electrones no enlazantes (como el O en P=O y el N en –NH2) son capaces de dar transiciones tipo n→σ* que requieren menos energía que las transiciones del tipo σ →σ*, la energía de tales transiciones depende en primer lugar del tipo de enlace atómico y en menor extensión de la estructura de la molécula, las absortividades molares asociadas con este tipo de absorción son de baja a intermedia magnitud y el intervalo usual es entre 100 a 3000 L cm-1 mol-1. Por lo tanto, la molécula de metamidofos requiere de un valor energético mayor (5.78 eV) que el necesario (3.2 eV) y el suministrado para la fotocatálisis con ZnO (3.37 eV). 57 Figura III. 3 Espectro de absorción de metamidofos Las condiciones óptimas para la determinación de metamidofos por HPLC- DAD, se muestran en la Tabla III.1. Tabla III. 1 Condiciones óptimas para HPLC - DAD. Parámetro Condición Fase móvil Acetonitrilo : Agua (10:90) Flujo 0.5 mL/min Detector UV – 215 nm Volumen de inyección 20 µL Tiempo de retención 6.410 min Temperatura 25 ºC Preparación de la muestra Fase móvil FUENTE: Elaboración propia. 58 Figura III. 4 Equipo HPLC Hitachi primaide. Con el fin de evaluar la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO, se vio por conveniente utilizar un producto comercial (Figura III.2), del cual se verifico la presencia de metamidofos como se muestra en la Figura III.5, posteriormente validado el método descrito en la Tabla III.1, se determinó la concentración real del pesticida para la preparación de las soluciones de trabajo. En la Figura III.5 se comparan los cromatogramas del estándar de metamidofos y el metamidofos comercial, se puede observar que el tiempo de retención no ha variado, la presencia del pico negativo puede deberse a muchas causas, entre ellas la diferencia de absorción o en el índice de refracción entre los componentes de la fase móvil y la muestra, sin embargo, el pico negativo no afecta el trazado de la línea base y consecuentemente la integración del pico objetivo, por lo que no representa un problema significativo.(71) 59 Figura III. 5 Comparación entre un cromatograma de estándar y un cromatograma de metamidofos comercial en agua up. Tratamiento de las muestras Debido a que la matriz para esta investigación es agua up contaminada con metamidofos comercial, el único tratamiento que recibió la muestra es una filtración con anotop 0.2 µm, siendo este tratamiento suficiente como se puede se muestra en la Figura III.5, para la muestra de metamidofos comercial en agua up. Así mismo el tratamiento de una muestra real (agua de riego) contaminada, consistió en una filtración con papel filtro rápido para eliminar partículas groseras presentes, luego de que la muestra es sometida a fotocatálisis, esta es filtrada con un anotop y posteriormente inyectada en el equipo HPLC – DAD; la Figura III.6 muestra la comparación entre el cromatograma obtenido para estándar de metamidofos y el cromatograma para la muestra real contaminada. Los cromatogramas del estándar de metamidofos y el metamidofos comercial en agua de regadío (Figura III.6), muestran que el tiempo de retención para ambos picos no ha variado, al igual que en la Figura III.5 se puede observar la presencia del pico negativo, sin embargo este pico no afecta el trazado de la línea base, por lo que no representa un problema significativo.(71) 60 Figura III. 6 Comparación entre un cromatograma de estándar y un cromatograma de muestra contaminada con metamidofos. 3.3.Validación del método de determinación de metamidofos por HPLC – DAD Una vez que se tienen las condiciones cromatográficas óptimas para la cuantificación de metamidofos, se procedió a la validación para el método por HPLC -DAD, evaluando los siguientes parámetros: Linealidad, precisión, exactitud, límite de detección y límite de cuantificación. En la Figura III.7 se muestra los cromatogramas superpuestos de una repetición de la curva de calibración, nótese la proporcionalidad de los picos a un tiempo de retención de 6.410 min respecto a la concentración del contaminante, de tal forma que, a mayor concentración del contaminante, mayor intensidad de pico y mayor área de integración. Para efectos de la presente investigación el término “concentración de metamidofos” podrá ser abreviado de la siguiente manera: [Mt]. 61 Figura III. 7 Cromatogramas superpuestos de linealidad, obtenido con los parámetros HPLC para la determinación de metamidofos. 3.3.1. Linealidad Para determinar la correlación lineal del método, se evaluaron 6 concentraciones conocidas (1, 5, 20, 50, 70 y 100 ppm), las cuales fueron analizadas por triplicado como se muestra en la Tabla III.2. Tabla III. 2 Datos para determinar la linealidad del método. Promedio de Desviación Mt (ppm) Área I Área II Área III áreas estándar 1 1562 1538 1506 1535.33 28.10 5 8231 8875 7880 8328.67 504.64 20 30103 29368 32261 30577.33 1503.70 50 86508 88309 92525 89114.00 3088.22 70 121902 124103 122094 122699.67 1219.11 100 182314 179209 188850 183457.67 4921.20 FUENTE: Elaboración propia. Con los datos obtenidos se construyó la curva de calibración mostrada en la Figura III.8, donde se obtuvo un coeficiente de determinación (R2) de 0.9986, muy cercano a la unidad, mientras que el coeficiente de correlación (r) de 0.9993 indica una recta lineal con pendiente positiva. 62 200000.00 175000.00 150000.00 125000.00 100000.00 75000.00 y = 1832.2x - 2499.9 R² = 0.9986 50000.00 25000.00 0.00 0 20 40 60 80 100 120 Concentración de Mt., ppm Figura III. 8 Curva de calibración del método HPLC para metamidofos. Sin embargo, el mejor indicador del modelo lineal es un test estadístico, en el que se calcula un valor tr y se compara con el valor t tabulado para un nivel de confianza requerido y n-2 grados de libertad. |𝑟|√𝑛 − 2 |0.9993|√6 − 2 𝑡𝑟 = = = 53.41 √1 − 𝑅2 √1 − 0.9986 El valor de t tabulado para 4 grados de libertad y un p = 0.05 es 2.776, debido a que el tr es mucho mayor que el t tabulado, se puede afirmar que se tiene una buena correlación lineal. 3.3.2. Precisión Una vez determinada la linealidad del método, se procedió a determinar la precisión, este se realizó sobre una misma muestra, bajo las mismas condiciones de trabajo, en el mismo laboratorio y el mismo día, estos datos se muestran en la Tabla III.3. 63 Área Tabla III. 3 Datos para determinar la precisión del método. Mt Área Área I Área II Promedio S.D. C.V. % Int. Confianza (ppm) III 1 1562 1538 1506 1535.3 28.10 1.83 1504.2 1507.8 5 8231 8875 7880 8328.7 504.64 6.06 7873.9 7886.1 20 30103 29368 32261 30577.3 1503.70 4.92 29073.6 32081.0 50 86508 88309 92525 89114.0 3088.22 3.47 92521.5 92528.5 70 121902 124103 122094 122699.7 1219.11 0.99 122093.0 122095.0 100 182314 179209 188850 183457.7 4921.20 2.68 188847.3 188852.7 FUENTE: Elaboración propia. Según las directrices de la AOAC y la ecuación de Horwitz, que establecen para cada nivel de concentración el valor del coeficiente de variación (C.V.%) aceptable, se puede indicar que los resultados mostrados, cumplen con las especificaciones.(82) 3.3.3. Exactitud La exactitud se evaluó tomando 3 niveles de concentración por triplicado, tomando como muestra una solución de estándar de metamidofos en agua up, los datos se muestran a continuación en la Tabla III.4. Tabla III. 4 Recuperación del método. % % Hallado % Recuperación Agregado 15 17.2 15.69 15.84 114.69 104.62 105.59 25 24.46 24.16 26.77 97.83 96.63 107.08 50 50.07 49.57 48.36 100.15 99.13 96.73 100 95.49 100.72 100.45 95.49 100.72 100.45 R(n=12): 101.59 S: 5.53 RSD (CV %): 5.45 tobs. 1.01 t tabla 2.23 FUENTE: Elaboración propia. 64 El promedio de la recuperación del método fue de 101.59 %, estando dentro de los limites (85 - 110%) dados por la AOAC.(82) 3.3.4. Límite de cuantificación y detección Para determinar los límites de cuantificación (LDQ) y de detección (LDD) se construyeron con las gráficas de concentración versus área y concentración versus desviación estándar, para obtener los valores de ybl y sbl como se muestran en las Figuras III.9 y III.10. 200000 175000 150000 125000 100000 75000 y = 1832.2x - 2499.9 50000 25000 0 0 20 40 60 80 100 120 Concentración Mt. (ppm) Figura III. 9 Gráfica de concentración versus área. La Figura III.9 nos brinda el valor de ybl y b necesarios para la determinación del LQD y LDD. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 y = 39.1x + 274.41 0 0 20 40 60 80 100 120 Concentración Mt. (ppm) Figura III. 10 Gráfica de concentración versus desviación estándar. 65 Desviación estándar Área En la Figura III.10 nos brinda el de sbl, necesario para le determinación del LQD y LDD. Utilizando las siguientes formulas: Límite de detección (LDD): 𝑌𝑏𝑙 + 3𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝐷𝐷 = × 𝑏 √𝑛 Límite de cuantificación (LQD): 𝑌𝑏𝑙 + 10𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝑄𝐷 = × 𝑏 √𝑛 Se obtuvo los siguientes valores: 𝐿𝐷𝐷 = 0.74 𝑝𝑝𝑚 y 𝐿𝑄𝐷 = 1.17 𝑝𝑝𝑚 Por lo tanto, el método es capaz de cuantificar como mínimo 1.17 ppm de metamidofos con buena precisión y exactitud. Los resultados obtenidos muestran que el método HPLC – DAD para la cuantificación de metamidofos propuesto es lineal, preciso, exacto y que es capaz de cuantificar como mínimo 1.17 ppm de metamidofos que para realizar el seguimiento de una degradación es aceptable. 3.4.Validación del método TLC semi-cuantitativo para determinar y cuantificar metamidofos Se realizó un ensayo para la determinación de metamidofos mediante TLC (thin layer chromatography) y utilizando el software imageJ para la semi-cuantificación del metamidofos. Debido a que el metamidofos es una molécula con un dominio hidrófilo y otro hidrofóbico en soluciones acuosas (81) y considerando que la placa cromatográfica utilizada es polar, se realizaron una serie de pruebas para determinar la fase móvil que permita obtener un desplazamiento de la mancha de metamidofos adecuada, así también se evaluaron diferentes reveladores con el objeto de aumentar 66 la sensibilidad, a continuación, se muestra en la Tabla III.5 las condiciones establecidas como óptimas. Tabla III. 5 Condiciones establecidas para la determinación y semi-cuantificación de metamidofos. Fase móvil n-hexano, acetona, propanol (5:3:0.5). Fase estacionaria Placas cromatografías G60 de sílica Solución de nitrato de plata al 2% en una mescla Revelador de acetona-agua (3:1), 130 º C por 40 min en estufa. Estándar de Metamidofos Muestras metamidofos comercial (C.) (St.) RF 0.47 0.47 Fuente: Elaboración propia. Para la validación del método TLC semicuantitativo, se cortó 3 placas de sílice G60 de 10 x 10 cm, en cada placa se sembró 5 puntos de concentraciones diferentes de estándar de metamidofos por cada punto, en cada punto se colocó 10 µL de cada solución de estándar; se dejó secar y fue colocado en una cuba cromatográfica saturada con fase móvil, se esperó a que la fase móvil suba hasta 1 cm antes de llegar al extremo superior, se retiró cada placa, se dejó secar y se sumergió en revelador e inmediatamente fue colocado en una estufa a 130 ºC por 40 min para revelar la mancha de interés , las placas reveladas fueron escaneadas utilizando el escáner de mano Iriscan y procesadas en el software ImageJ para la determinación de la densidad colorimétrica de la mancha en escala de grises de tal forma que a mayor cantidad de metamidofos presente en la mancha, le corresponde una mayor intensidad de mancha por consiguiente una mayor área de pico, para más detalle consultar el Anexo 2. En la Figura III.11, se puede observar las manchas correspondientes al estándar de metamidofos y metamidofos comercial las cuales tienen el mismo Rf aceptable, utilizando una fase móvil relativamente apolar, este ensayo, nos permite la identificación del analito por comparación con un estándar certificado. 67 Figura III. 11 Placa TLC, donde se muestra las manchas de estándar de metamidofos (derecha) y metamidofos comercial (izquierda), bajo las condiciones establecidas. 3.4.1. Linealidad Para evaluar la linealidad del método se consideraron 5 niveles entre 25 y 500 ppm y se analizaron por triplicado, obteniéndose los siguientes resultados: Tabla III. 6 Datos para determinar la linealidad del método. Concentración Área I Área II Área III Promedio Desviación (ppm) de áreas estándar 25 371.11 178.75 165.51 238.46 115.07 50 1676.38 1065.26 847.43 1196.35 429.74 100 4977.20 3045.21 3347.39 3789.93 1039.24 200 8870.85 8834.27 8299.08 8668.07 320.08 500 16331.90 19737.61 17484.92 17851.48 1732.19 Fuente: Elaboración propia. 68 20000.00 18000.00 16000.00 14000.00 12000.00 10000.00 y = 36.993x - 124.83 8000.00 R² = 0.9863 6000.00 4000.00 2000.00 0.00 0 100 200 300 400 500 600 Concentracion Mt. (ppm) Figura III. 12 Curva de calibración del método TLC para metamidofos. El valor del coeficiente de determinación R2 es bajo (R2 < 0.995) esto sugiere un coeficiente de correlación (r) de 0.993 por lo tanto podemos indicar que existe una regular correlación entre la concentración de metamidofos y la señal, para confirmar la correlación lineal se realizó el test estadístico “t”. |𝒓|√𝒏 − 𝟐 |𝟎. 𝟗𝟗𝟑|√𝟓 − 𝟐 𝒕𝒓 = = = 𝟐𝟒. 𝟑𝟐 √𝟏 − 𝑹𝟐 √𝟏 − 𝟎. 𝟗𝟗𝟓 El valor de t tabulado para 3 grados de libertad y un p = 0.05 es 3.18, debido a que el tr es mayor que el t tabulado, se puede afirmar que existe correlación lineal, según el análisis estadístico. 3.4.2. Precisión Una vez determinada la linealidad del método, se procedió a determinar la precisión del método, este se realizó sobre una misma muestra, bajo las mismas condiciones de trabajo, en el mismo laboratorio y el mismo día, estos datos se muestran en la Tabla III.7. 69 Área Tabla III. 7 Datos para determinar la precisión del método. Mt C.V. Area I Area II Area III Promedio S.D.. Int. Confianza (ppm) % 25 371.1 178.8 165.5 238.46 115.07 48.26 123.4 353.5 50 1676.4 1065.3 847.4 1196.35 429.74 35.92 766.6 1626.1 100 4977.2 3045.2 3347.4 3789.93 1039.24 27.42 2750.7 4829.2 200 8870.9 8834.3 8299.1 8668.07 320.08 3.69 8348 8988.1 500 16331.9 19737.6 17484.9 17851.48 1732.19 9.70 16119.3 19583.7 Fuente: Elaboración propia. Según las directrices de la AOAC y la ecuación de Horwitz, que establecen para cada nivel de concentración el valor del coeficiente de variación (C.V.%) aceptable, se puede indicar que los resultados mostrados, no cumplen con las especificaciones, por lo tanto, el método no es preciso. 3.4.3. Límite de cuantificación y detección Para determinar los límites de cuantificación (LDQ) y de detección (LDD) se construyó las gráficas de concentración versus área y concentración versus desviación estándar, para obtener los valores de ybl y sbl como se muestran en las Figuras III.13 y III.14. 20000.00 15000.00 10000.00 y = 36.993x - 124.83 5000.00 0.00 0 100 200 300 400 500 600 Concentración de Mt., ppm Figura III. 13 Gráfica de concentración versus área. La Figura III.13 nos brinda el valor de ybl y b necesarios para le determinación del LQD y LDD. 70 Área 2000.00 1500.00 1000.00 y = 2.8136x + 234.88 500.00 0.00 0 100 200 300 400 500 600 Concentración de Mt., ppm Figura III. 14 Gráfica de concentración versus desviación estándar. En la Figura III.14 nos brinda el de sbl, necesario para le determinación del LQD y LDD. Utilizando las siguientes formulas: Límite de detección (LDD): 𝑌𝑏𝑙 + 3𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝐷𝐷 = × 𝑏 √𝑛 Límite de cuantificación (LQD): 𝑌𝑏𝑙 + 10𝑆𝑏𝑙 1 𝐿𝑄𝐷 = × 𝑏 √𝑛 Se obtuvo los siguientes valores: 𝐿𝐷𝐷 = 133.35 𝑝𝑝𝑚 y 𝐿𝑄𝐷 = 153.22 𝑝𝑝𝑚 Por lo tanto, el método es capaz de cuantificar 153.22 ppm de metamidofos, sin embargo, no es preciso y poco lineal. Los resultados mostrados sugieren que el método propuesto no es el más adecuado debido a su baja correlación, sensibilidad, además de no ser preciso, esto puede deberse a muchos factores, como la uniformidad de la siembra de la que debe ser minuciosa, otro aspecto importante es la semi -cuantificación utilizando el software imageJ la integración del área bajo la curva es muy subjetiva y depende de la persona que manipula el software por lo que la variabilidad de los datos puede deberse a estas 71 S.D. apreciaciones, sin embargo es posible mejorar ciertos aspectos de esta propuesta que permitan optimizar los resultados de la validación de este método. 3.5.Determinación de la longitud de onda de emisión relativa de la lámpara de trabajo La fuente de luz utilizada fue una lámpara UV de vapor de mercurio de alta presión que emite su máximo de radiación a 365 nm, sin embargo, para efectos de corroborar la longitud de onda real, se realizó una verificación de esta longitud de onda con ayuda del espectrómetro portátil Ocean Optics USB4000, la Figura III.15 muestra un pico de mayor intensidad a la longitud de onda de 367.79 nm. Según Rajeshwar et al (1997) y Hoffmann et al., (1995) la longitud de onda óptima para el ZnO es de 388 nm (3.2 eV). Sin embargo, Ochuma et al (2007) refiere que en general la luz UV-A proporciona fotones de luz suficientes para la activación fotónica del TiO2 y ZnO ya que una longitud de onda de 367.79 nm (3.37 eV) es mucho más energética que una longitud de onda de 388 nm (3.2 eV). La mayoría de investigaciones de degradación fotocatalítica con luz UV han sido realizadas con una fuente de luz UV que emite a una longitud de onda de 365 nm (3.4 eV), por consiguiente, la lámpara de trabajo es la adecuada considerando los recursos disponibles.(29,30,65) Las longitudes de onda menores que 388 nm son mucho más energéticas, por lo tanto, permitirán la excitación de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción permitiendo la formación del par electrón- hueco, esto permite que las partículas de óxido de zinc sean capaces de oxidar compuestos orgánicos contaminante mediante la formación de especies altamente activas capaces de degradar los contaminantes, este es el fundamento de la fotocatálisis; sin embargo de sebe considerar que esta investigación se hizo uso de una campana con una fuente de luz UV-A, el sistema puede haberse afectado por la luz natural del medio , para evitar ello se colocó el sistema a 10 cm de la fuente de luz UV-A, de esta forma se buscó evitar la influencia de la luz natural. 72 Figura III. 15 Espectro de emisión relativa de la lámpara UV-A de trabajo. 3.6.Modelamiento de la degradación fotocatalítica de metamidofos Para el modelamiento matemático se utilizó el programa de análisis de datos OriginPro 9.0, con el que se evaluaron distintos modelos matemáticos, eligiendo el modelo de asociación exponencial debido a que este presenta una mejor correlación y ajuste a los datos experimentales. 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙𝟎 𝟏 ) + 𝑨 −𝒌𝟐𝒙 𝟐(𝟏 − 𝒆 ) Donde, y es la proporción entre la concentración residual y la concentración inicial de metamidofos, y0 es la proporción en un tiempo cero y generalmente es igual a la unidad, A1 y A2 son las proporciones de metamidofos que han sido degradadas tanto en una fase lenta como en una fase rápida, respectivamente, todas las variables antes descritas son adimensionales, mientras que k1 y k2 son constantes de velocidad (1/min) lo que corresponde a una cinética de primer orden para un periodo lento y un periodo rápido, respectivamente y x representa el tiempo de degradación en min. (ver Anexo 3) El modelo describe dos etapas, una etapa rápida y una etapa lenta, las cuales están relacionadas con la cantidad de radicales disponibles altamente oxidantes, de tal 73 forma que la etapa rápida corresponde a un momento en el cual existe una mayor cantidad de radicales disponibles y por consiguiente la etapa lenta corresponde al momento en el cual la disponibilidad de radicales es menor (hidratación de la superficie del fotocatalizador). Las gráficas obtenidas del ajuste del modelo a los datos experimentales, están disponibles en el Anexo 4 de la presente investigación. 3.6.1. Efecto de la oscuridad y la luz UVA en la degradación del metamidofos Para efecto de determinar la adsorción de metamidofos en las partículas de ZnO, se realizó un ensayo de 30 min en oscuridad con 2.0 g/L de ZnO y 15 ppm de metamidofos. La Figura III.16, muestra los resultados del ensayo realizado para evaluar la adsorción de metamidofos sobre la partícula de ZnO sin la generación de radicales libres, la Figura muestra que no existe una diferencia significativa (p > 0.05) entre la concentración inicial y el tratamiento de la solución agitada sin influencia de luz UV- A, este resultado nos permite evidenciar que la adsorción de metamidofos, sin que este sea degradado, no es significativo en comparación de la degradación en un periodo con luz UV-A. light off light on 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -30 0 30 60 90 120 150 Tiempo (min.) Figura III. 16 Actividad fotocatalítica de 2.0 g/L de ZnO y 15 ppm de metamidofos con y sin irradiación UV-A. 74 C/C 0 3.6.2. Efecto de la concentración inicial de metamidofos Para evaluar la influencia de la concentración inicial de metamidofos, se realizaron diversos experimentos, tomando como concentraciones iniciales 15, 25, 50 y 100 ppm y manteniendo constante la concentración de ZnO. Con el fin de determinar la concentración de metamidofos a un tiempo determinado se tomó 3 mL de muestra, se filtró y se determinó la concentración empleando el método validado por HPLC-DAD. En la Figura III.17 se muestra la evolución de la concentración de metamidofos en función del tiempo de iluminación a fin de determinar la influencia de la concentración inicial de metamidofos para disoluciones con una concentración de ZnO de 0.5 g/L; para una cantidad fija de ZnO, Se puede ver que la concentración de metamidofos va disminuyendo conforme pasa el tiempo en el que la disolución es sometida a la radiación UV-A. También se observa que a mayor concentración inicial de metamidofos menor es el proceso de degradación, según Lei Zhang et al (2009), esto se puede deber a la disminución en el número de sitios activos sobre la superficie del catalizador debido a la cobertura de la superficie con moléculas metamidofos, por un fenómeno de saturación, este fenómeno es directamente proporcional con la concentración inicial de metamidofos.(74) La eficiencia de la degradación se reduce cuando la concentración de sustrato aumenta, debido al hecho de que más contaminantes orgánicos son adsorbidos en la superficie del catalizador aumentando la demanda de especies oxidantes (•OH y •O2-) Sin embargo, el número de sitios activos sobre la superficie del catalizador se mantiene constante para una cantidad de catalizador, intensidad de la luz y período de irradiación fija. Por lo tanto, la generación de radical hidroxilo es insuficiente, ya que hay sólo unos pocos sitios activos disponibles para la adsorción de iones hidroxilo. Por otra parte, los fotones son interceptados antes de que puedan llegar a la superficie del catalizador.(57–61) 75 1.0 0.8 0.6 0.4 [Mt] = 15.0 ppm 0.2 [Mt] = 25.0 ppm [Mt] = 50.0 ppm [Mt] =100.0 ppm 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 17 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 0.5 g/L ZnO. En la Tabla III.8 se muestran los parámetros para el modelo matemático de Asociación exponencial de decaimiento de dos fases para las curvas de la Figura III.17, nótese que los valores de A1 y A2 tienen valor negativo debido a que representan las proporciones de degradación en cada periodo respecto a la proporción inicial (y0) que generalmente es igual a la unidad, los valores de k1 y k2 representan las constantes de velocidad aparente expresadas en 1/min. Los valores de R2 muestra un buen ajuste entre los datos experimentales y el modelo, se observa que en el periodo lento ocurre la mayor proporción de degradación para todos los casos, por otro lado, la extrapolación del modelo permitió determinar el porcentaje de degradación máximo (% D), el cual no supera al 50% para todos los casos. Para mayor detalle del ajuste del modelo a los datos experimentales se puede revisar el Anexo 4, donde se muestran las gráficas de la proporción de metamidofos residual versus el tiempo de tratamiento, en el modelo matemático de asociación exponencial de decaimiento de dos fases que mejor describe el comportamiento de los datos es difícil identificar donde acaba la primera fase y donde comienza la segunda. 76 C/C 0 Tabla III. 8 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca de metamidofos utilizando 0.5 g/L de catalizador. 𝒚 = 𝒚𝟎 + 𝑨𝟏(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟏𝒙) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t 2 ½ R % D. ppm A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 15 1.0000 -0.4473 0.0045 N.D. -0.0504 0.3929 N.D. 0.998 49.77 25 1.0001 -0.1769 0.0083 N.D. -0.0287 0.1045 N.D. 0.996 20.56 50 1.0001 -0.0690 0.0083 N.D. -0.0304 0.1494 N.D. 0.970 9.94 100 1.0000 -0.0287 0.0060 N.D. -0.0076 0.0541 N.D. 0.975 3.63 FUENTE: Elaboración propia En la Figura III.18, la tendencia a aumentar la eficiencia de la degradación se ve disminuida a mayor cantidad de contaminante, con catalizador constante (1.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 [Mt] = 15.0 ppm 0.2 [Mt] = 25.0 ppm [Mt] = 50.0 ppm [Mt] =100.0 ppm 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 18 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 1.0 g/L ZnO. En la Tabla III.9 se muestran los parámetros para el modelo matemático de Asociación exponencial de decaimiento de dos fases para las curvas de la Figura III.18, 77 C/C 0 al igual que en la Tabla III.8 los valores de A1 y A2 tienen valor negativo debido a que representan las proporciones de degradación en cada periodo respecto a la proporción inicial (y0) que generalmente es igual a la unidad, los valores de k1 y k2 representan las constantes de velocidad aparente expresadas en 1/min. En la Tabla III.9 se muestra que en el periodo lento ocurre la mayor proporción de degradación, para estas condiciones de trabajo la extrapolación permitió determinar el porcentaje de degradación máximo (% D), cuando la concentración inicial del contaminante fue de 15 ppm y 1.0 g/L de ZnO, el porcentaje obtenido fue de 57.24% y el tiempo de vida media (t1/2) es de 422.33 min (7.0 horas) para un periodo lento donde se dio el 45.12% de degradación y 11.82 min para un periodo rápido con un D% igual a 12.09%, esto se debe a que a menor cantidad de contaminante presente en la solución de trabajo, se da una mejor degradación de este manteniendo constante la cantidad de ZnO, que para las condiciones mostradas en la tabla ya al menos se tienen porcentajes de degradación de 57.24% para cuando se utiliza 15 ppm del contaminante con 1.0 g/L deZnO. Tabla III. 9 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca de metamidofos utilizando 1.0 g/L de catalizador. 𝒚 = 𝒚𝟎 + 𝑨𝟏(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟏𝒙) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t ½ R2 % D ppm A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 15 0.9993 -0.4512 0.0043 422.33 -0.1209 0.0438 11.82 0.996 57.24 25 1.0013 -0.3050 0.0027 N.D. -0.1100 0.0485 N.D. 0.995 41.45 50 1.0002 -0.1222 0.0085 N.D. -0.0332 0.0661 N.D. 0.993 15.53 100 1.0013 -0.0146 0.0128 N.D. -0.0146 0.0128 N.D. 0.982 2.92 FUENTE: Elaboración propia Como en los demás casos, en la Figura III.19, la degradación se ve disminuida a mayor cantidad de contaminante manteniendo constante la cantidad de catalizador, sin embargo, se observa una mayor degradación, debido al incremento en la cantidad de ZnO utilizado. 78 1.0 0.8 0.6 0.4 [Mt] = 15.0 ppm 0.2 [Mt] = 25.0 ppm [Mt] = 50.0 ppm [Mt] =100.0 ppm 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 19 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 2.0 g/L ZnO. La Tabla III.10, muestra el mismo comportamiento que en las tablas antes descritas, de igual manera se observa que en el periodo lento ocurre la mayor proporción de degradación, así también la extrapolación mostro el porcentaje de degradación máximo (% D) obtenible, en este caso debido a que se incrementó la cantidad de óxido de zinc en solución se obtuvieron porcentajes de degradación mayores al 50% para concentraciones de contaminante hasta 25 ppm, de tal forma que cuando se trabajó con 15 ppm se obtuvo un porcentaje de degradación del 79.86% y cuando se trabajó con 25 ppm de contaminante, se obtuvo una degradación del 50.86% con tiempos de vida media (t1/2) de 209.43 min (3.5 horas) y 863.86 min (14.4 horas) respectivamente, estos resultados muestran el efecto de la concentración de contaminante, donde a concentraciones mayores de metamidofos el tiempo de vida media aumenta debido a la mayor cantidad de contaminante a degradar y por consiguiente ocurre una disminución en el porcentaje de degradación. 79 C/C 0 Tabla III. 10 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca de metamidofos utilizando 2.0 g/L de catalizador. 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙𝟎 𝟏 ) + 𝑨 −𝒌𝟐𝒙 𝟐(𝟏 − 𝒆 ) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t 2 ½ R % D ppm A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 15 1.0038 -0.6140 0.0034 209.43 -0.1877 0.0233 0 0.994 79.86 25 1.0001 -0.4089 0.0045 863.86 -0.0997 0.0978 25.05 0.998 50.86 50 1.0012 -0.2052 0.0041 N.D. -0.0803 0.0366 N.D. 0.997 28.52 100 0.9980 -0.0390 0.0114 N.D. -0.0390 0.0114 N.D. 0.979 7.82 FUENTE: Elaboración propia La Figura III.20, muestra el mismo comportamiento observado en las anteriores figuras, debido al efecto de la concentración de contaminante en solución manteniendo constante la cantidad de ZnO utilizada. 1.0 0.8 0.6 0.4 [Mt] = 15.0 ppm 0.2 [Mt] = 25.0 ppm [Mt] = 50.0 ppm [Mt] =100.0 ppm 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 20 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 3.0 g/L ZnO. 80 C/C 0 En la Tabla III.11 se observa que cuando la concentración del contaminante fue de 15 ppm y 25 ppm, los porcentajes de degradación son 74.45% y 68.38% respectivamente y los tiempos de vida media (t1/2) de 134.38 min (2.24 horas) para una degradación de 15 ppm de contaminante y de 251.72 min (4.20 horas) para una degradación de 25 ppm de contaminante, si comparamos los porcentajes de degradación máximo mostrados en la Tabla III.10 observaremos que cuando se trabajó con 15 ppm de metamidofos y 2 g/L de ZnO se tuvo un porcentaje de degradación del 79.86%, mientras que cuando se trabajó con una cantidad de 3 g/L de ZnO este porcentaje disminuyó a 74.45%, este fenómeno puede deberse al efecto de apantallamiento que ocurre entre las partícula de ZnO cuando esta se encuentran en exceso anulando así su efecto catalizador.(70) Tabla III. 11 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca de metamidofos utilizando 3.0 g/L de catalizador. 𝒚 = 𝒚 −𝒌𝟏𝒙 𝟎 + 𝑨𝟏(𝟏 − 𝒆 ) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t 2 ½ R % D ppm A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 15 1.0000 -0.6715 0.0075 134.38 -0.0730 0.1834 0 0.997 74.45 25 1.0000 -0.6064 0.0047 251.72 -0.0774 0.1411 0 0.999 68.38 50 1.0020 -0.3897 0.0023 N.D. -0.0854 0.0325 N.D. 0.995 47.41 100 1.0008 -0.1249 0.0015 N.D. -0.0456 0.0348 N.D. 0.994 17.03 FUENTE: Elaboración propia En la Figura III.21, se muestra porcentaje de degradación máximo obtenido extrapolando el modelo matemático de asociación exponencial de dos fases versus la concentración de metamidofos inicial, para diferentes concentraciones de óxido de zinc en suspensión. Como se espera a medida que aumenta la concentración de metamidofos se observa una disminución apreciable de la degradación debido a que a mayor cantidad de contaminante se produce la saturación de los sitios activos del catalizador, incluso 81 la propia molécula de metamidofos puede captar fotones necesarios para la activación de las partículas de ZnO, disminuyendo así el efecto fotocatalizador. (5) 100 2 [ZnO]= 0.5 g/L (R =0.984) 2 [ZnO]= 1.0 g/L (R =0.999) 2 [ZnO]= 2.0 g/L (R =0.974) 80 2 [ZnO]= 3.0 g/L (R =0.988) 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 [Mt] (ppm) . Figura III. 21 Efecto de la concentración de metamidofos a diferentes concentraciones de semiconductor. Tabla III. 12 Parámetros del modelo matemático exponencial. 𝐲 = 𝐚 ∙ 𝐛𝒙 [Mt] ppm a b R2 15 100.54 0.95 0.984 25 99.93 0.96 0.999 50 103.04 0.98 0.974 100 99.27 0.98 0.988 Fuente: Elaboración propia Por lo tanto, se propone un modelo matemático del tipo exponencial que describe el comportamiento del porcentaje máximo de degradación en función de la concentración de metamidofos para diferentes concentraciones de ZnO. 82 Porcentaje de degradación (%) 3.6.3. Efecto de la concentración de ZnO Para evaluar la influencia de la concentración de ZnO, se realizaron diversos experimentos, tomando las concentraciones 0.5, 1.0, 2.0 y 3.0 g/L y manteniendo constante la concentración inicial de metamidofos. Con el fin de determinar la concentración de metamidofos a un tiempo determinado se tomó 3 mL de muestra, se filtró y se determinó la concentración empleando el método validado por HPLC-DAD. En la Figura III.22 se grafica la evolución de la concentración de metamidofos (Mt) con el tiempo de iluminación, para diferentes concentraciones de catalizador inicial y [Mt]0 = 15 ppm donde se puede evidenciar que la máxima degradación se alcanza con concentraciones de catalizador comprendidas entre 2.0 y 3.0 g/L. Sin embargo, es necesario ver en la Tabla III.13 los parámetros que permitirán discriminar mejor lo observado en la Figura. 1.0 0.8 0.6 0.4 [ZnO]=0.0 g/L (Blanco) [ZnO]=0.5 g/L 0.2 [ZnO]=1.0 g/L [ZnO]=2.0 g/L [ZnO]=3.0 g/L 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 22 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 15 ppm de metamidofos. 83 C/C 0 La Tabla III.13 muestra los resultados cuando se trabaja con una [Mt]0 = 15 ppm constante, se puede ver que a partir de 1 g/L de ZnO se obtiene porcentajes de degradación (%D) mayores que el 50%, nótese que cuando se trabajó con 3 g/L de ZnO el %D se vio disminuido. Según LiuWei et al (2008)(70), indica que las reacciones de degradación en fotocatálisis heterogénea se incrementan de manera proporcional a medida que aumenta la cantidad de catalizador hasta un límite específico para cada sistema (83). Este comportamiento se puede deber a un efecto pantalla producido por el exceso de ZnO reduciéndose el paso de la radiación y la efectividad fotocatalítica.(84) Donde el número de fotones es directamente proporcional a la concentración de catalizador, para una concentración más alta el número de los fotones eficaces es constante así como la cantidad de especies fotoactivas, un exceso de catalizador también ocasiona que la fracción de luz incidente se disperse, en consecuencia, la eficiencia cae.(73) Tabla III. 13 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca para una concentración constante de metamidofos (15 ppm). 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙𝟎 𝟏 ) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t 2 ½ R % D g/L A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 0.5 1.0000 -0.4473 0.0045 N.D. -0.0504 0.3929 N.D. 0.998 49.77 1.0 0.9993 -0.4512 0.0043 422.33 -0.1209 0.0438 11.82 0.996 57.24 2.0 1.0038 -0.6140 0.0034 209.43 -0.1877 0.0233 0 0.994 79.86 3.0 1.0000 -0.6715 0.0075 134.38 -0.0730 0.1834 0 0.997 74.45 FUENTE: Elaboración propia En la Figura III.23, para una concentración de 25 ppm de metamidofos, la degradación aumenta conforme aumenta la cantidad de catalizador, se puede evidenciar una tendencia a lograr un porcentaje de degradación mayor al 50% cuando se trabaja con 3.0 g/L de ZnO. 84 1.0 0.8 0.6 0.4 [ZnO]=0.0 g/L (Blanco) [ZnO]=0.5 g/L 0.2 [ZnO]=1.0 g/L [ZnO]=2.0 g/L [ZnO]=3.0 g/L 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 23 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 25 ppm de metamidofos. En la Tabla III.14, se observa que hay una degradación mayor al 50% a partir de 2.0 g/L de ZnO, también cabe señalar que el coeficiente de velocidad aparente (A1) para un periodo lento aumenta a medida de se incrementa el uso de ZnO. Esto se debe al incremento de especies activas, producto de la activación de una mayor cantidad de ZnO, sin embargo debemos considerar esta tendencia hasta una cantidad razonable de ZnO ya que un exceso de catalizador produciría una disminución del proceso degradativo por un fenómeno de apantallamiento (74) como se reportó en la Tabla III.13. Tabla III. 14 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca para una concentración constante de metamidofos (25 ppm). 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙𝟎 𝟏 ) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t ½ R2 % D g/L A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 0.5 1.0001 -0.1769 0.0083 N.D. -0.0287 0.1045 N.D. 0.996 20.56 1.0 1.0013 -0.3050 0.0027 N.D. -0.1100 0.0485 N.D. 0.995 41.45 2.0 1.0001 -0.4089 0.0045 863.86 -0.0997 0.0978 25.05 0.998 50.86 3.0 1.0000 -0.6064 0.0047 251.72 -0.0774 0.1411 0 0.999 68.38 FUENTE: Elaboración propia 85 C/C 0 De igual forma en la Figura III.24, se reporta las curvas de degradación cuando la concentración de metamidofos es de 50 ppm, notamos que la degradación se ve disminuida debido a la disminución de catalizador en suspensión. 1.0 0.8 0.6 0.4 [ZnO]=0.0 g/L (Blanco) [ZnO]=0.5 g/L 0.2 [ZnO]=1.0 g/L [ZnO]=2.0 g/L [ZnO]=3.0 g/L 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 24 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 50 ppm de metamidofos. En la Tabla III.15, se observan los resultados cuando la concentración de metamidofos en solución fue de 50 ppm, como se aprecia a esta concentración ya no se supera el 50% de degradación, esto se debe a la saturación de la superficie de las partículas de ZnO con contaminante, disminuyen la cantidad de sitios activos disponibles en las partículas; por otra parte, se observa una disminución en la constante de velocidad para el periodo de máxima degradación, algunas investigaciones reportan que en un proceso fotocatalítico, la tasa de degradación inicial aumenta con el aumento en la cantidad de catalizador hasta alcanzar una cantidad óptima (aumento del área superficial activa y de sitios de reacción sobre la superficie del catalizador), sin embargo, el porcentaje de la fotodegradación decrece a dosis más altas de fotocatalizador (menor dispersión de la luz, efectos de apantallamiento, aglomeración).(51–55) 86 C/C 0 Tabla III. 15 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca para una concentración constante de metamidofos (50 ppm). 𝒚 = 𝒚𝟎 + 𝑨𝟏(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟏𝒙) + 𝑨 −𝒌𝟐𝒙 𝟐(𝟏 − 𝒆 ) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t ½ R2 % D g/L A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 0.5 1.0001 -0.0690 0.0083 N.D. -0.0304 0.1494 N.D. 0.970 9.94 1.0 1.0002 -0.1222 0.0085 N.D. -0.0332 0.0661 N.D. 0.993 15.53 2.0 1.0012 -0.2052 0.0041 N.D. -0.0803 0.0366 N.D. 0.997 28.52 3.0 1.0020 -0.3897 0.0023 N.D. -0.0854 0.0325 N.D. 0.995 47.41 FUENTE: Elaboración propia La Figura III.25 muestra las curvas de degradación cuando la concentración de metamidofos es de 100 ppm, se observa una degradación casi despreciable del contaminante debido a un exceso de este. 1.0 0.8 0.6 0.4 [ZnO]=0.0 g/L (Blanco) [ZnO]=0.5 g/L 0.2 [ZnO]=1.0 g/L [ZnO]=2.0 g/L [ZnO]=3.0 g/L 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 25 Degradación de metamidofos con el tiempo de iluminación para 100 ppm de metamidofos. 87 C/C 0 En la Tabla III.16, los porcentajes de degradación son muy pequeños, esto se puede deber a la disminución en el número de sitios activos sobre la superficie del catalizador debido a la cobertura de la superficie con moléculas metamidofos que es directamente proporcional con la concentración inicial de metamidofos.(74) Tabla III. 16 Parámetros del modelamiento matemático para la cinética de degradación fotocatalíca para una concentración constante de metamidofos (100 ppm). 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙) + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟎 𝟏 𝟐 ) Periodo lento Periodo rápido [Mt] y0 k1 t ½ k2 t 2 ½ R % D g/L A1 A2 (1/min) (min) (1/min) (min) 0.5 1.0000 -0.0287 0.0060 N.D. -0.0076 0.0541 N.D. 0.975 3.63 1.0 1.0013 -0.0146 0.0128 N.D. -0.0146 0.0128 N.D. 0.982 2.92 2.0 0.9980 -0.0390 0.0114 N.D. -0.0390 0.0114 N.D. 0.979 7.82 3.0 1.0008 -0.1249 0.0015 N.D. -0.0456 0.0348 N.D. 0.994 17.03 FUENTE: Elaboración propia A continuación, la Figura III.26, muestra la relación entre la concentración de fotocatalizador y el porcentaje de degradación máximo obtenido por la extrapolación del modelo matemático, la Figura, muestra la tendencia que puede seguir el porcentaje de degradación a medida que aumenta la concentración de ZnO pero hasta cierta concentración ya que según LiuWei et al. (2008) (6) un exceso de catalizador ocasiona la disminución de la eficiencia de degradación de contaminantes orgánicos debido al efecto pantalla entre las partículas de ZnO, es así que para cuando se trabajó con la concentración de 15 ppm de metamidofos se pudo percibir este fenómeno mostrando un máximo de degradación a 2 g/L y posterior disminución de la degradación a 3 g/L del catalizador. 88 100 2 [Mt]= 15.0 ppm (R =0.953) 2 [Mt]=20.0 ppm (R =0.962) 2 [Mt]= 50.0 ppm (R =0.984) 2 80 [Mt]= 100.0 ppm (R =0.955) 60 40 20 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 [ZnO] (g/L) Figura III. 26 Efecto de la concentración de semiconductor a diferentes concentraciones de metamidofos. Por lo tanto en la tabla III.17, se propone un modelo matemático exponencial que describe el comportamiento del porcentaje máximo de degradación en función de la concentración de ZnO para diferentes concentraciones de metamidofos, consideran que a una determinada concentración de ZnO esta tendencia no se cumplirá debido al efecto pantalla entre las partículas del catalizador, en conclusión, los que nos ofrece el presente modelo es el máximo porcentaje de degradación obtenido a una “n” cantidad de catalizador hasta el momento en que la curva se haga asintótica. Tabla III. 17 Parámetros del modelo matemático exponencial. 𝐲 = 𝐲𝟎 + 𝐀 ∙ 𝒆 𝑹𝟎∙𝒙 [ZnO] y 2 0 A R0 R g/L 0.5 76.80 -76.06 -1.78 0.953 1 76.33 -76.03 -0.66 0.962 2 16249.70 -16249.14 -9.34E-04 0.984 3 -1.610 2.60 0.65 0.955 Fuente: Elaboración propia. 89 Porcentaje de degradación (%) 3.7.Cinética de degradación fotocatalítica de metamidofos 3.7.1. Determinación de la cinética de degradación fotocatalítica utilizando el modelo matemático propuesto Con el fin de determinar los principales parámetros cinéticos de la degradación fotocatalítica de metamidofos se hizo uso de la primera y segunda derivada del modelo matemático de Asociación exponencial de dos fases para determinar la velocidad y aceleración del proceso, respectivamente. Para determinar la velocidad y aceleración de degradación se derivó la ecuación del modelo de Asociación exponencial haciendo uso del programa de álgebra computacional Wolfram Mathematica 10.2, los parámetros de la ecuación de velocidad son B1 y B2 representan las velocidades aparentes iniciales tanto en un periodo lento y un periodo rápido, respectivamente, el signo negativo de estos valores representa el sentido de la reacción debido a que se da la disminución del reactante respecto al tiempo; para la aceleración se realizó la segunda derivada del modelo, las variables son C1 y C2 representan la aceleración o desaceleración aparente en un periodo lento y un periodo rápido respectivamente. La Tabla III.18 muestra los valores de velocidad aparente inicial de degradación tanto para el periodo lento (B1) y para el periodo rápido (B2); se observa que a mayor concentración de metamidofos ocasiona una disminución de la velocidad inicial en el periodo lento. Tabla III. 18 Parámetros de la velocidad y aceleración de la degradación de metamidofos utilizando 0.5 g/L de ZnO como catalizador. Velocidad: Aceleración: [Mt] 𝒓 = 𝑩 𝒆−𝒌𝟏𝒙 +𝑩 𝒆−𝒌𝟐𝒙 𝒂 = 𝑪 𝒆−𝒌𝟏𝒙 + 𝑪 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟏 𝟐 𝟏 𝟐 ppm Periodo lento Periodo rápido Periodo lento Periodo rápido B1 k1 B2 k2 C1 k1 C2 k2 15 -0.0020 0.0045 -0.0198 0.3929 9.143E-06 0.0045 7.777E-03 0.3929 25 -0.0015 0.0083 -0.0030 0.1045 1.206E-05 0.0083 3.137E-04 0.1045 50 -0.0006 0.0083 -0.0045 0.1494 4.722E-06 0.0083 6.785E-04 0.1494 100 -0.0002 0.0060 -0.0004 0.0541 1.032E-06 0.0060 2.220 E-05 0.0541 FUENTE: Elaboración propia 90 En la Tabla III.19, donde se muestra los valores de velocidad aparente inicial de degradación tanto para el periodo lento (B1) y para el periodo rápido (B2); se observa que a mayor concentración de metamidofos ocasiona una disminución de la velocidad aparente inicial en ambos periodos, debido al fenómeno de saturación de las partículas de ZnO con metamidofos. Tabla III. 19 Modelamiento de la velocidad y aceleración de la degradación de metamidofos utilizando 1.0 g/L de ZnO como catalizador. Velocidad: Aceleración: [Mt] 𝒓 = 𝑩 𝒆−𝒌𝟏𝒙 +𝑩 𝒆−𝒌𝟐𝒙 𝒂 = 𝑪 −𝒌𝟏𝒙 −𝒌𝟐𝒙 𝟏 𝟐 𝟏𝒆 + 𝑪𝟐𝒆 ppm Periodo lento Periodo rápido Periodo lento Periodo rápido B1 k1 B2 k2 C1 k1 C2 k2 15 -0.0020 0.0043 -0.0053 0.0438 8.5155E-06 0.0043 2.3163E-04 0.0438 25 -0.0008 0.0027 -0.0053 0.0485 2.2180E-06 0.0027 2.5864E-04 0.0485 50 -0.0010 0.0085 -0.0022 0.0661 8.8877E-06 0.0085 1.4499E-04 0.0661 100 -0.0002 0.0128 -0.0002 0.0128 2.4067E-06 0.0128 2.4068E-06 0.0128 FUENTE: Elaboración propia Al igual que las anteriores tablas, la Tabla III.20 muestra los valores de velocidad aparente inicial de degradación para ambos periodos, observándose que a mayor concentración de metamidofos ocasiona una disminución de la velocidad aparente inicial reafirmando el fenómeno de saturación descrito en bibliografía. Tabla III. 20 Modelamiento de la velocidad y aceleración de la degradación de metamidofos utilizando 2.0 g/L de ZnO como catalizador. Velocidad: Aceleración: [Mt] 𝒓 = 𝑩 𝒆−𝒌𝟏𝒙 +𝑩 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟏 𝟐 𝒂 = 𝑪𝟏𝒆 −𝒌𝟏𝒙 + 𝑪 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟐 ppm Periodo lento Periodo rápido Periodo lento Periodo rápido B1 k1 B2 k2 C1 k1 C2 k2 15 -0.0021 0.0034 -0.0044 0.0233 7.0710E-06 0.0034 1.0224E-04 0.0233 25 -0.0018 0.0045 -0.0098 0.0978 8.1712E-06 0.0045 9.5395E-04 0.0978 50 -0.0008 0.0041 -0.0029 0.0366 3.4789E-06 0.0041 1.0750E-04 0.0366 100 -0.0004 0.0114 -0.0004 0.0114 5.1016E-06 0.0114 5.1019E-06 0.0114 FUENTE: Elaboración propia 91 En la Tabla III.21 se muestra el mismo comportamiento para los valores de velocidad aparente inicial de degradación para el periodo lento, observándose que a mayor concentración de metamidofos ocasiona una disminución de la velocidad aparente inicial reafirmando el fenómeno de saturación descrito en bibliografía, para la presente investigación los valores de velocidad aparente inicial del periodo lento son de mayor interés debido a que en este periodo ocurre la mayor degradación y es el primer periodo en ocurrir. El efecto de incrementar la concentración de contaminante y mantener constante la cantidad de ZnO ocasiona una desaceleración de la degradación por efecto de saturación de la partícula de ZnO con el exceso de contaminante. Tabla III. 21 Modelamiento de la velocidad y aceleración de la degradación de metamidofos utilizando 3.0 g/L de ZnO como catalizador. Velocidad: Aceleración: [Mt] 𝒓 = 𝑩 𝒆−𝒌𝟏𝒙 +𝑩 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟏 𝟐 𝒂 = 𝑪𝟏𝒆 −𝒌𝟏𝒙 + 𝑪 𝒆−𝒌𝟐𝒙𝟐 ppm Periodo lento Periodo rápido Periodo lento Periodo rápido B1 k1 B2 k2 C1 k1 C2 k2 15 -0.0050 0.0075 -0.0134 0.1834 3.7952E-05 0.0075 2.4554E-03 0.1834 25 -0.0029 0.0047 -0.0109 0.1411 1.3641E-05 0.0047 1.5399E-03 0.1411 50 -0.0009 0.0023 -0.0028 0.0325 2.0407E-06 0.0023 9.0119E-05 0.0325 100 -0.0002 0.0015 -0.0016 0.0348 2.8537E-07 0.0015 5.5115E-05 0.0348 FUENTE: Elaboración propia 3.7.2. Determinación de la cinética de degradación fotocatalítica utilizando el modelo cinético de pseudo-primer orden Para entender el comportamiento de la degradación del metamidofos se ajustan los datos experimentales a una cinética de pseudo-primer orden. El modelo matemático de Pseudo primer orden, es muy utilizado para la evaluación de catálisis heterogénea, ya que este modelo nos permite determinar los parámetros cinéticos de velocidad constante y constante de adsorción en el equilibrio, asumiendo que el proceso fotocatalítico obedece a una reacción de Pseudo-primer orden. (ver Anexo 5) 92 𝐶 ln ( ) = −𝑘 𝐶 𝑎𝑝𝑝. 𝑡 0 La ecuación muestra el modelo de pseudo primer orden de trabajo, los valores 𝐶 de 𝑘𝑎𝑝𝑝 fueron obtenidos de la pendiente de la recta al graficar −ln ( ) versus el 𝐶0 tiempo. La Figura III.27, muestra el ajuste lineal de los datos experimentales según el tratamiento de Pseudo primer orden, donde se plotea el menos logaritmo neperiano de la proporción de metamidofos residual versus el tiempo de degradación, para una cantidad de catalizador de 0.5 g/L. [Mt] = 15 ppm 0.5 [Mt] = 25 ppm [Mt] = 50 ppm [Mt] = 100 ppm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 27 Cinética de degradación fotocatalítica de primer orden con 0.5 g/L de ZnO como catalizador. En la Tabla III.22 se muestran los parámetros de la ecuación cinética, donde el valor de la pendiente representa a la constante aparente de la velocidad, se puede apreciar que esta constante disminuye a medida que aumenta la concentración inicial de metamidofos, por efecto de la saturación de los sitios activo de las partículas de ZnO. 93 -ln(C/C ) 0 Tabla III. 22 Parámetros cinéticos de la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO (0.5 g/L). C0 , C0, Ecuación cinética Kapp, R t 1/2, min ppm mM min-1 15 0.1 -ln(C/C0)= 0.0574 + 0.001526 t 0.001526 0.981 416.53 25 0.2 -ln(C/C0)= 0.0419 + 0.000660 t 0.000660 0.936 987.41 50 0.4 -ln(C/C0)= 0.0302 + 0.000270 t 0.000270 0.868 2451.44 100 0.7 -ln(C/C0)= 0.0079 + 0.000092 t 0.000092 0.915 7430.10 Fuente: Elaboración propia. La Figura III.28, muestra el ploteo del menos logaritmo neperiano de la proporción de metamidofos residual versus el tiempo de degradación, para una cantidad de catalizador de 1.0 g/L. ZnO. [Mt] = 15 ppm 0.6 [Mt] = 25 ppm [Mt] = 50 ppm 0.5 [Mt] = 100 ppm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 28 Cinética de degradación fotocatalítica de primer orden con 1.0 g/L de ZnO como catalizador. En la Tabla III.23, se observa que la constante aparente de la velocidad, disminuye a medida que aumenta la concentración inicial de metamidofos, debido a la saturación de los sitios activo de las partículas de ZnO. 94 -ln(C/C ) 0 Tabla III. 23 Parámetros cinéticos de la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO (1.0 g/L). C , C -1 0 0, Ecuación cinética Kapp, min R t 1/2, min ppm mM 15 0.1 -ln(C/C0)= 0.0821 + 0.00189 t 0.001890 0.969 323.33 25 0.2 -ln(C/C0)= 0.0643 + 0.000969 t 0.000969 0.942 648.61 50 0.4 -ln(C/C0)= 0.0359 + 0.00048 t 0.000480 0.916 1368.91 100 0.7 -ln(C/C0)= 0.005 + 0.000092 t 0.000092 0.894 7457.95 Fuente: Elaboración propia. 1.0 [Mt] = 15 ppm [Mt] = 25 ppm [Mt] = 50 ppm [Mt] = 100 ppm 0.5 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) . Figura III. 29 Cinética de degradación fotocatalítica de primer orden con 2.0 g/L de ZnO como catalizador. En la Tabla III.24, Los valores de la constante aparente de la velocidad, disminuye a medida que aumenta la concentración inicial de metamidofos; el tiempo de vida media para una degradación del 79.86% es de 3.7 horas, mientras que para una degradación del 50.86% el tiempo de vida media es de 6.48 horas bajo las condiciones estipuladas por este modelo. 95 -ln(C/C ) 0 Tabla III. 24 Parámetros cinéticos de la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO (2.0 g/L). C0 , C0, Ecuación cinética K -1 app, min R t 1/2, min ppm mM 15 0.1 -ln(C/C0)= 0.0711 + 0.002816 t 0.002816 0.983 220.88 25 0.2 -ln(C/C0)= 0.0861 + 0.001563 t 0.001563 0.965 388.47 50 0.4 -ln(C/C0)= 0.0458 + 0.000789 t 0.000789 0.945 819.99 100 0.7 -ln(C/C0)= 0.0167 + 0.000257 t 0.000257 0.922 2629.81 Fuente: Elaboración propia. [Mt] = 15 ppm 1.2 [Mt] = 25 ppm [Mt] = 50 ppm 1.0 [Mt] = 100 ppm 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 30 Cinética de degradación fotocatalítica de primer orden con 3.0 g/L de ZnO como catalizador. En la Tabla III.25 Los valores de la constante aparente de la velocidad, disminuyen a medida que aumenta la concentración inicial de metamidofos; el tiempo de vida media para una degradación del 74.45% es de 2.6 horas, mientras que para una degradación del 68.38% el tiempo de vida media es de 4.2 horas bajo las condiciones estipuladas por este modelo, esto se debe a la saturación de los sitios activo de las partículas de ZnO. 96 -ln(C/C ) 0 Tabla III. 25 Parámetros cinéticos de la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO (3.0 g/L). C0 , C0, Ecuación cinética Kapp, min-1 R t 1/2, min ppm mM 15 0.1 -ln(C/C0)= 0.1126 + 0.00369 t 0.003690 0.984 157.32 25 0.2 -ln(C/C0)= 0.0794 + 0.00246 t 0.002460 0.985 249.49 50 0.4 -ln(C/C0)= 0.0404 + 0.00103 t 0.001030 0.972 633.70 100 0.7 -ln(C/C0)= 0.0208 + 0.00028 t 0.000281 0.921 2396.03 Fuente: Elaboración propia. La Tabla III.26, muestra un consolidado de los parámetros cinéticos del modelo propuesto y el modelo de Pseudo-primer orden, con sus respectivos valores de coeficiente de terminación (R2 ) , porcentajes de degradación máximo ( %D ) y tiempos de vida media (t1/2). Analizando los valores de la constante de velocidad aparente (kapp), disminuyen a medida que aumenta la concentración de metamidofos, debido a que a medida que aumenta la concentración de metamidofos, se produce la disminución en el número de sitios activos sobre la superficie del catalizador por la cobertura de la superficie con moléculas metamidofos; sin embargo, aumenta a medida que aumenta la cantidad de ZnO en disolución, esto se debe a que a una mayor fracción de luz incidente es absorbida por una mayor cantidad semiconductor aumentando progresivamente la cantidad de especies reactivas en la superficie del semiconductor, hasta un punto en el que un exceso de semiconductor ocasionara que la eficacia caiga.(73,74) Los valores de t1/2 obtenidos por el modelo de Pseudo primer orden pone en evidencia que el efecto de disminuir la cantidad de ZnO repercute en un mayor tiempo de degradación, para porcentajes de degradación (D%) mayores al 50%, debemos observar que cuando se trabaja con una cantidad de 2 g/L de ZnO y 15 ppm de metamidofos se logra la máxima degradación (79.86%) respecto a los ensayos realizados y decae ligeramente cuando se utiliza 3 g/L de ZnO y 15 ppm de contaminante. 97 Como se puede ver en la Tabla III.26, el modelo de Pseudo primer orden es equivalente al periodo lento (de mayor degradación) del modelo de asociación exponencial, donde los valores de la constante de velocidad aparente (kapp) son similares a los valores del parámetro B1, para de calcular las constantes cinéticas se utilizará únicamente los valores del periodo lento debido a que este ocurre primero y es donde se da la mayor parte de la degradación. Tabla III. 26 Parámetros cinéticos del modelo propuesto y el modelo de Pseudo primer orden. Pseudo primer orden Modelo Asoc. Exponencial [ZnO] [Mt] Periodo Lento Periodo Rápido kapp % D g/L ppm R2 t 2 1/2 R (1/min) B1 B2 t 1/2 t ½ (1/min) (1/min) 15 0.0015 0.961 416.53 0.0020 N.D. 0.0198 N.D. 0.998 49.77 25 0.0007 0.875 987.41 0.0015 N.D. 0.0030 N.D. 0.996 20.56 0.5 50 0.0003 0.754 2451.44 0.0006 N.D. 0.0045 N.D. 0.970 9.94 100 0.0001 0.838 7430.10 0.0002 N.D. 0.0004 N.D. 0.975 3.63 15 0.0019 0.940 323.33 0.0020 422.33 0.0053 11.82 0.996 57.24 25 0.0010 0.888 648.61 0.0008 N.D. 0.0053 N.D. 0.995 41.45 1 50 0.0005 0.839 1368.91 0.0010 N.D. 0.0022 N.D. 0.993 15.53 100 0.0001 0.799 7457.95 0.0002 N.D. 0.0002 N.D. 0.982 2.92 15 0.0028 0.967 220.88 0.0021 209.43 0.0044 0.00 0.994 79.86 25 0.0016 0.930 388.47 0.0018 863.86 0.0098 25.052 0.998 50.86 2 50 0.0008 0.893 819.99 0.0008 N.D. 0.0029 N.D. 0.997 28.52 100 0.0003 0.851 2629.81 0.0004 N.D. 0.0004 N.D. 0.979 7.82 15 0.0037 0.969 157.32 0.0050 134.38 0.0134 0.00 0.997 74.45 25 0.0025 0.971 249.49 0.0029 251.72 0.0109 0.00 0.999 68.38 3 50 0.0010 0.944 633.70 0.0009 N.D. 0.0028 N.D. 0.995 47.41 100 0.0003 0.849 2396.03 0.0002 N.D. 0.0016 N.D. 0.994 17.03 Fuente: Elaboración propia. Evaluando los coeficientes de determinación para ambos modelos en las diferentes condiciones ensayadas se puede decir que el modelo matemático de asociación exponencial de dos fases se ajusta mejor a los datos experimentales respecto al modelo de pseudo primer orden, así mismo este ajuste se puede observar más claramente en las gráficas de modelamiento del Anexo 4. 98 Puesto que los valores p son menores que 0.05, tanto la concentración de metamidofos, como la cantidad de ZnO utilizada tienen un efecto estadísticamente significativo sobre el porcentaje de degradación, con un 95.0% de nivel de confianza, la prueba tukey demuestra que todos los grupos son heterogéneos cuando se evalúa el factor [Mt], mientras que al menos existen 3 grupos homogéneos cuando se evalúa el factor [ZnO]. (Anexo 9) 3.7.3. Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood Este modelo permite estimar el efecto de la adsorción y los fenómenos de oxidación fotocatalítica, proporciona una visión más detallada del proceso y se explica sobre la base de la producción de pares electrón - hueco por la foto excitación del catalizador. La molécula de contaminante es entonces atrapada por el hueco siendo adsorbido en la superficie del catalizador para formar un estado radical reactivo que puede descomponerse como resultado de la recombinación con un electrón, el catalizador se regenera. Langmuir-Hinshelwood postula sitios activos de adsorción sobre los cuales los reactantes interactúan y se transforman en productos. En el caso de la fotocatálisis los términos referentes a la adsorción son relacionados a la interacción entre el catalizador y el contaminante. Considerando que la fotocatálisis ocurre en la superficie del catalizador, en cinco etapas consecutivas: 1. Difusión de las moléculas de reactivo a la superficie, 2. Adsorción sobre la superficie, 3. Reacción sobre la superficie (formación de productos), 4. Desorción de los productos y 5. Difusión de los productos no adsorbidos lejos de la superficie. Langmuir-Hinshelwood postula el siguiente modelo matemático: 𝑑𝐶 𝑘𝑎𝑑𝑠𝐾𝐶 − = 𝑑𝑡 1 + 𝐾𝑎𝑑𝑠𝐶 99 Donde 𝑘𝑎𝑑𝑠 es la constante de equilibrio de adsorción del sustrato metamidofos), en la superficie del ZnO (1/ppm), K es la constante cinetica (ppm/min) y C es la concentración del contaminante (ppm). Aproximando el modelo a Pseudo-primer orden, partiendo de la hipótesis de que la expresión de Langmuir-Hinshelwood se puede aproximar a una cinética de pseudo-primer orden, cuando la concentración de contaminante es menor a 1 mM (KC << 1) la ecuación se puede simplificar de la siguiente forma. 1 1 1 = + 𝐶 𝑘 𝑎𝑑𝑠 𝑎𝑝𝑝 𝑘𝑎𝑑𝑠𝐾 𝐾 Donde, 𝑘𝑎𝑑𝑠 es el coeficiente de adsorción (1/ppm), 𝐾 es la constante cinética (ppm/min), C es la concentración de contaminante (ppm), 𝐶𝑎𝑑𝑠 es la concentración inicial del contaminante (ppm) y 𝑘𝑎𝑝𝑝 es la constante cinética aparente (min-1). La tabla III.27 muestra los valores de la constante de adsorción y la constante de velocidad de degradación, se observa que a medida que aumenta la cantidad de ZnO utilizada la constante de adsorción tiende a aumentar hasta un punto en donde la suspensión tiene un exceso de ZnO lo que ocasiona una disminución de la constante de adsorción se observa este comportamiento en ambos modelos, sin embargo la velocidad de degradación se incrementa a medida que aumenta la cantidad de catalizador y por consiguiente aumenta la cantidad de sitios activos , sin embargo el modelo de pseudo primer orden muestra una tendencia creciente respecto al comportamiento de la velocidad de degradación y esto no es del todo real debido a que como ya se había mencionado un exceso de catalizador disminuiría la degradación y por consiguiente la velocidad de degradación, mientras que el modelo propuesto proporciona una tendencia de velocidad de degradación más adecuada donde a cierta cantidad de ZnO la velocidad es máxima (2 g/L), mientras que un exceso de ZnO (3 g/L) disminuye la velocidad de degradación como se observa en la tabla. La constante de adsorción en el equilibrio(kads), es igual a la inversa de la concentración del sustrato (metamidofos) sobre la superficie de ZnO en el equilibrio, por lo que un valor mayor de kads representa una menor cantidad de metamidofos 100 adsorbido que no ha sido degradado, y por consiguiente una mayor degradación de metamidofos. Tabla III. 27 Determinación de la constante de adsorción en el equilibrio y de la constante de la velocidad de degradación, parámetros del modelo Langmuir-Hinshelwood mediante la aproximación de pseudo-primer orden y el modelo propuesto. Pseudo primer orden Modelo propuesto [ZnO] kads K kads K g/L R2 R2 (L/mg) (ppm/min) (L/mg) (ppm/min) 0.5 0.0772 0.0083 0.979 0.0740 0.0155 0.953 1 0.0550 0.0081 0.897 0.0899 0.0182 0.812 2 0.0923 0.0239 0.962 0.2268 0.0466 0.992 3 0.0683 0.0252 0.940 0.0519 0.0162 0.921 Fuente: Elaboración propia 3.8.Evaluación de una muestra real Se tomó una muestra de agua de riego proveniente del distrito de Vítor, las coordenadas del lugar de muestreo son: Tabla III. 28 Coordenadas de la ubicación de la toma de muestra de agua de riego. Latitud Longitud Elevación 16°28'12.06"S 71°55'59.02"O 1148 m Fuente: Elaboración propia Figura III. 31 Ubicación del punto de toma de muestra. 101 La muestra tomada fue contaminada con 15 ppm de metamidofos comercial y luego fue filtrada, se tomó 150 mL de la muestra contaminada y fue sometida al proceso de fotodegradación considerando las condiciones que mostraron el mayor porcentaje de degradación (2.0 g/L de ZnO) para esa concentración de contaminante, el proceso fue llevado en 5 horas. Los resultados del ensayo se muestran a continuación. La Figura III.32, muestra gráficamente el comportamiento de la degradación fotocatalítica de metamidofos en una muestra real que contiene metamidofos comercial y demás compuestos presentes en el agua de regadío en comparación con una muestra que contiene únicamente metamidofos comercial en agua up. 1.0 Agua de regadío 0.9 Agua ultrapura 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Figura III. 32 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (15 ppm) en una muestra real, utilizando ZnO como fotocatalizador (2.0 g/L)y su comparación con una muestra ideal . La tabla III.29, muestra los parámetros del modelamiento matemático de Asociación exponencial para una muestra real, la cual fue contaminada con metamidofos (15 ppm), para el ensayo de fotocatálisis de utilizo 2 g/L de ZnO, con estos parámetros se pudo extrapolar y determinar el porcentaje de degradación (%D) en el equilibrio siendo este de 48.78% equivalente a 3.7 mg de metamidofos degradado 102 C/C 0 por cada gramo de ZnO; comparándolo con el ensayo realizado con una muestra ideal la disminución en la eficiencia de la degradación es de casi 31% (poco menos de la mitad), esto puede deberse a causa de la presencia de algunos compuestos capaces de acomplejar al ZnO (85), otra hipótesis es que el aumento de la materia orgánica presente en el agua de riego, disminuyo la eficiencia fotocatalítica del ZnO. (57–61) Tabla III. 29 Modelamiento matemático de Asociación exponencial de dos fases para una muestra de agua de regadío y agua ultra pura contaminada con 15 ppm de metamidofos y 2g/L de ZnO. 𝒚 = 𝒚 + 𝑨 (𝟏 − 𝒆−𝒌𝟏𝒙𝟎 𝟏 ) + 𝑨𝟐(𝟏 − 𝒆 −𝒌𝟐𝒙) Muestra y0 A 2 1 k1 A2 k2 R %D Agua de regadío 1.0010 -0.3367 0.0042 -0.1516 0.0627 0.995 48.78 Agua ultra pura 1.0038 -0.1877 0.0233 -0.6140 0.0034 0.994 79.86 Fuente: Elaboración propia En la Tabla III.30, se muestran los valores de la velocidad y aceleración aparente, el valor de velocidad aparente inicial de la muestra con agua de regadío es mucho menor que el valor de velocidad aparente inicial de la muestra con agua up, lo que conlleva a una disminución de la eficiencia de degradación de metamidofos, y una disminución de la capacidad de degradación, por efecto de la constitución de la matriz. Tabla III. 30 Modelamiento de la velocidad y aceleración de la degradación de metamidofos en una matriz real. Velocidad: Aceleración: Muestra 𝒓 = 𝑩 𝒆−𝒌𝟏𝒙 +𝑩 𝒆−𝒌𝟐𝒙 𝒂 = 𝑪 𝒆−𝒌𝟏𝒙 + 𝑪 −𝒌𝟐𝒙 𝟏 𝟐 𝟏 𝟐𝒆 Periodo lento Periodo rápido Periodo lento Periodo rápido B1 k1 B2 k2 C1 k1 C2 k2 Agua de regadío -0.0014 0.0042 -0.0095 0.0627 0.00001 0.0042 0.00060 0.0627 Agua ultra pura -0.0021 0.0034 -0.0044 0.0233 0.00001 0.0034 0.00010 0.0233 Fuente: Elaboración propia 103 3.9.Posible mecanismo de degradación fotocatalítica de metamidofos Las partículas de ZnO son excitadas con una fuente de luz UV-A cuya longitud de onda es < 388 nm (3.2eV) generando un electrón excitado en la banda de conducción (CB) y un hueco altamente oxidante en la banda de valencia (VB), para evitar la recombinación del par electrón – hueco el oxígeno molecular disuelto tiene una función vital evitando la recombinación formando el radica superoxido ( ∙ 𝑂−2 ), altamente oxidante , mientras que el hueco (h+) produce la formación de radicales hidroxilo (∙ 𝑂𝐻 ), estos radicales son los responsables de la degradación, ciertamente también se puede dar una degradación directa cuando el contaminante reacciona directamente con el hueco (h+), la formación de peróxido de hidrogeno, favorece a la formación de una mayor cantidad de radicales hidroxilo. Esta etapa es crucial para el proceso de degradación fotocatalítica y es motivo de muchas investigaciones con el fin de retardar el fenómeno de recombinación, para lograr una mayor eficiencia en la formación de radicales altamente oxidantes. A continuación, se presenta el mecanismo de formación de los radicales OH● y O ●- 2 . 104 Dang Quang et al. Propuso un mecanismo de degradación fotocatalítica para metamidofos utilizando TiO2 como fotocatalizador.(7) La Figura III.33 muestra el posible mecanismo de la degradación fotocatalítica de metamidofos, mediante el ataque oxidativo de los radicales OH● (rojo) y HO ● 2 (azul) con la liberación de iones hidronio (H + 3O ) y dióxido de carbono (CO2), y otros productos de estructura simple, hasta su completa mineralización. Figura III. 33 Posible mecanismo de la degradación fotocatalítica de metamidofos con intermedios identificados (Dang Quang et al. 2002). 105 A continuación, se enumeran los productos intermedios identificados por Dang Quang. Tabla III. 31 Posibles productos intermedios de la oxidación de metamidofos como se muestra en la Figura III.33. No. Nombre 1 methylphosphamide 2 methylmethylthiophosphate 3 hydroxymethylenmethylthiophosphamide 4 hydroxymethylenhydroxymethylenthiophosphamide 5 methylhydroxymethylenthiophosphamide 6 formylhydroxymethylenthiophosphamide 7 formylformylthiophosphamide 8 hydroxymethylenformylthiophosphamide 9 carboxylformylthiophosphamide 10 carboxylcarboxylthiophosphamide 11 formylcarboxylthiophosphamide 12 Carboxylhydrothiophosphamide 13 Hydrohydrothiophosphamide 14 hydrocarboxylthiophosphamide 15 dihydrophosphamide 16 phosphoric acid 17 thiophosphoric acid Fuente: Tomado de “Monitoring of organochlorine pesticides in Surface waters in Hanoi and detoxification of organochlorine and organophosphorous pesticides in water by applying novel methods using ultraviolet irradiation air ionisation and solar photocatalysis” (Dang Quang et al. 2002). 106 CONCLUSIONES 1. El método para determinar y cuantificar metamidofos que mejores parámetros ha tenido es el de HPLC-DAD, el cual es lineal con un R2 de 0.9986, preciso, exacto y cuyos límites de detección y cuantificación fueron 0.74 ppm y 1.17 ppm respectivamente, suficiente para el seguimiento de la degradación fotocatalítica de metamidofos con ZnO y luz UV-A, para esta validación se hizo uso de un estándar secundario preparado a partir de un estándar primario el cual contenía una concentración de 20000 ppm. 2. El modelo matemático que mejor describe el comportamiento de los datos obtenidos, es el modelo matemático de Asociación exponencial de dos fases, con este modelo, el máximo porcentaje de degradaciones de 79.86% cuando se trabaja con 2g/L de óxido de zinc (ZnO) y una concentración de 15 ppm de metamidofos, con agitación constante, temperatura 25 ± 2 ºC y un pH promedio de 6.78, el t1/2 calculado con este modelo fue de 209.43 min para las condiciones más óptimas. 3. La constante de equilibrio de adsorción calculada con el modelo matemático de Asociación exponencial de dos fases es de 5.42 ppm y para el modelo matemático de Pseudo-primer orden es de 4.41 ppm cuando se trabaja con 2 g/L de ZnO, estos valores representan la concentración del sustrato (metamidofos) en la superficie del catalizador (ZnO) en el equilibrio. 4. La constante de velocidad de degradación calculada con el modelo matemático de Asociación exponencial de dos fases es de 0.239 ppm/min y para el modelo matemático de Pseudo-primer orden es de 0.0466 ppm/min. 5. La muestra real contaminada con metamidofos (15 ppm), y tratada con 2 g/L de ZnO, tuvo un porcentaje de degradación de 48.78% (3.7 mg de metamidofos degradado por cada gramo de ZnO), menor al 79.86% obtenido en un ensayo realizado con una muestra ideal debido al aumento de la materia orgánica presente en el agua de riego. 107 RECOMENDACIONES 1. Diseñar y sintetizar semiconductores de ZnO dopados con metales para retardar la recombinación del par electrón – hueco y optimizar el proceso fotocatalítico. 2. Evaluar la eficiencia fotocatalítica del ZnO en otras matrices y con otros contaminantes. 108 REFERENCIAS 1. Durand G, Barceló D. Determination of chlorotriazines and their photolysis products by liquid chromatography with photodiode-array and thermospray mass spectrometric detection. J Chromatogr A. 1990;502(C):275–86. 2. Albanis TA, Hela DG, Sakellarides TM, Konstantinou IK. Monitoring of pesticide residues and their metabolites in surface and underground waters of Imathia (N. Greece) by means of solid-phase extraction disks and gas chromatography. In: Journal of Chromatography A. 1998. p. 59–71. 3. Durand G, De Bertrand N, Barceló D. Applications of thermospray liquid chromatography-mass spectrometry in photochemical studies of pesticides in water. J Chromatogr A. 1991;554(1-2):233–50. 4. Nollet LML, Rathore HS. 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Fundamental principles and application of heterogeneous photocatalytic degradation of dyes in solution. 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Elaboración de la curva de calibración semi-cuantitativa mediante análisis de imágenes computacional utilizando el software imageJ. Se realizó la curva de calibración por triplicado y se escaneo las placas cromatográficas utilizando el mouse Iriscan. Curva 1: Curva 2: Curva 3: R =0.43 RF=0.45 RF=0.48 F 129 A continuación, con ayuda del software imageJ, se transformó las imágenes al formato de escala de grises de 8 bits. Curva 1: Curva 2: Curva 3: Se seleccionaron las bandas referidas a cada concentración para determinar la densidad de cada mancha. Curva 1: Curva 2: Curva 3: 130 Gráficas de la densidad de escala de grises. Curva 1: 500 ppm 200 ppm 100 ppm 131 50 ppm 25 ppm 132 Curva 2: 500 ppm 200 ppm 133 100 ppm 50 ppm 25 ppm 134 Curva 3: 500 ppm 200 ppm 135 100 ppm 50 ppm 25 ppm 136 ANEXO Nº 3 MODELAMIENTO MATEMATICO 137 Modelo matemático de Asociación exponencial de dos fases Con ayuda del programa de análisis de datos OriginPro 9.0, se evaluaron distintos modelos matemáticos, eligiendo el modelo de asociación exponencial debido a que este presenta una mejor correlación y ajuste a los datos experimentales. La ecuación del modelo es la siguiente: 𝑦 = 𝑦 −𝑘1𝑥 −𝑘2𝑥 0 + 𝐴1(1 − 𝑒 ) + 𝐴2(1 − 𝑒 ) … (1) Donde: 𝑦 es la proporción entre la concentración residual y la concentración inicial de 𝐶 𝐶 metamidofos ( ) respecto al tiempo, y0 es la proporción ( ) en un tiempo cero este 𝐶0 𝐶0 valor es igual a la unidad, A1 y A2 son las proporciones de metamidofos que han sido degradadas en una fase lenta y en una fase rápida, respectivamente, todas las variables antes descritas son adimensionales, mientras que k1 y k2 son constantes de velocidad (min-1) para un periodo lento y un periodo rápido, respectivamente y x representa al tiempo de degradación en min. La ecuación (1) puede ser simplificada a la siguiente expresión. 𝑦𝑚𝑖𝑛 𝑦 = ⏞(𝑦 + 𝐴 + 𝐴 ) − 𝐴 𝑒−𝑘1𝑥 − 𝐴 𝑒−𝑘2𝑥0 1 2 1 2 … (2) Donde: 𝐶 𝑦𝑚𝑖𝑛 es la proporción ( ) en un tiempo infinito, para la presente investigación esta 𝐶0 variable representa la proporción residual de metamidofos en el equilibrio, es adimensional. Tanto A1 y A2, pueden ser expresados de la siguiente forma: 𝐴1 = (𝑦0 − 𝑦𝑚𝑖𝑛) × (100 −% 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑟á𝑝𝑖𝑑𝑜) × 0.01 … (3) 𝐴2 = (𝑦0 − 𝑦𝑚𝑖𝑛) ×% 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑟á𝑝𝑖𝑑𝑜 × 0.01… (4) 138 Para calcular el tiempo de vida media (min) tanto en el periodo lento como en el rápido, se puede utilizar la siguientes formulas: Para un periodo lento: 0.5 𝐴 ln (𝐴 + 2 𝐴 + 1) 𝑡1⁄ = 1 1 … (5) 2 −𝑘1 Para un periodo rápido: 0.5 𝐴 𝑙𝑛 ( + 1 + 1) 𝐴 𝐴 𝑡 = 2 2 1⁄ …(6) 2 −𝑘2 Para determinar la velocidad y aceleración de degradación se calculó la primera derivada y la segunda derivada, respectivamente, de la ecuación del modelo de Asociación exponencial, para ello se recurrió a uso del programa de álgebra computacional Wolfram Mathematica, siendo las ecuaciones derivadas de la siguiente forma: 𝑑𝑦 r = y′ = = 𝐶 A k 𝑒−𝑘1𝑥0 1 1 + 𝐶 A −k2𝑥 𝑑𝑥 0 2𝑘2𝑒 … (7) 𝐵1 = A1k1 𝐵2 = A2k2 Donde B1 y B2 representan las velocidades iniciales (1/min) tanto en un periodo lento y un periodo rápido, respectivamente. ′ 𝑑2𝑦 𝑎 = y′ = 2 = −𝐶0A k 2𝑒−𝑘1𝑥1 1 − 𝐶 2 −k2𝑥 0A2𝑘2 𝑒 … (8) 𝑑𝑥 𝐶1 = −A1k 2 1 𝐶2 = −A2k 2 2 Donde C1 y C2 son las aceleraciones o desaceleraciones iniciales (1/min2) en un periodo lento y un periodo rápido respectivamente. 139 Modelo matemático de Pseudo primer orden 𝑑𝐶 − = 𝑘𝑎𝑝𝑝 ∙ 𝐶…(9) 𝑑𝑡 Donde: C es la concentración de metamidofos para un tiempo de iluminación determinado (ppm), t es el tiempo de reacción (min) y kapp es la constante cinética de pseudo-primer orden (1/min). Integrando la ecuación de Pseudo-primer orden obtenemos. 𝐶 ln ( ) = −𝑘𝑎𝑝𝑝 ∙ 𝑡 …(10) 𝐶0 𝐶 = 𝐶 −𝑘𝑎𝑝𝑝𝑡 0𝑒 …(11) Donde: C=Concentración de metamidofos para un tiempo dado (ppm), C0 es la concentración inicial de contaminante (ppm), t es el tiempo de reacción (min) y kapp es la constante del modelo de pseudo-primer orden (1/min). Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood La expresión de Langmuir-Hinshelwood (L-H) en su forma más simple está dado por:(86) 𝑑𝐶 𝑘𝑎𝑑𝑠𝐾𝐶 − = …(12) 𝑑𝑡 1 + 𝐾𝑎𝑑𝑠𝐶 Donde 𝑘𝑎𝑑𝑠 es la constante de equilibrio de adsorción del sustrato metamidofos), en la superficie del ZnO (1/ppm), K es la constante cinetica (ppm/min) y C es la concentración del contaminante (ppm). Aproximando el modelo a Pseudo-primer orden, partiendo de la hipótesis de que la expresión de Langmuir-Hinshelwood se puede aproximar a una cinética de pseudo- 140 primer orden, cuando la concentración de contaminante es menor a 1 mM (KC << 1) la ecuación se puede simplificar de la siguiente forma. 𝑘𝑎𝑑𝑠𝐾𝐶 = 𝑘 𝐶… (13) 1 + 𝑘 𝑎𝑝𝑝 𝑎𝑑𝑠𝐶𝑎𝑑𝑠 1 1 1 = + 𝐶𝑎𝑑𝑠 …(14) 𝑘𝑎𝑝𝑝 𝑘𝑎𝑑𝑠𝐾 𝐾 Donde 𝑘𝑎𝑑𝑠 es la constante de equilibrio de adsorción del sustrato metamidofos), en la superficie del ZnO (1/ppm), 𝐾 es la constante cinética (ppm/min), C es la concentración de contaminante (ppm), 𝐶𝑎𝑑𝑠 es la concentración inicial del contaminante (ppm) y 𝑘𝑎𝑝𝑝 es la constante cinética aparente (min-1). Para concentraciones > 5 x 10-3 M, (K >> 1), la velocidad de reacción es máxima y es de orden aparente. Generalmente cinética de primer orden es apropiada para estudios con contaminantes de poca ppm.(87) 141 ANEXO Nº 4 GRAFICAS DEL MODELAMIENTO CINETICO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES 142 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (15 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (0.5 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (15 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (1.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 143 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (15 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (2.0 g/L). 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (15 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (3.0 g/L). 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 144 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (25 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (0.5 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (25 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (1.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 145 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (25 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (2.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (25 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (3.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 146 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (50 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (0.5 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (50 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (1.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 147 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (50 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (2.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (50 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (3.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 148 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (100 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (0.5 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (100 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (1.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 149 C/C C/C 0 0 Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (100 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (2.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) Modelamiento cinético de degradación de metamidofos (100 ppm), utilizando ZnO como fotocatalizador (3.0 g/L). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Asociación exponencial Pseudo-primer orden 0.0 0 50 100 150 200 250 300 Tiempo (min) 150 C/C C/C 0 0 Grafica de la inversa de kapp versus la concentración, 0.5 g/L de ZnO 12000 [ZnO] = 0.5 g/L (Modelo propuesto) [ZnO] = 0.5 g/L (Modelo Pseudo primer orden) 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 C (ppm) 0 Grafica de la inversa de kapp versus la concentración, 1.0 g/L de ZnO 12000 [ZnO] = 1.0 g/L (Modelo propuesto) [ZnO] = 1.0 g/L (Modelo Pseudo primer orden) 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 C (ppm) 0 151 1/B ó 1/k (min) 1/B ó 1/k (min) 1 app 1 app Grafica de la inversa de kapp versus la concentración, 2.0 g/L de ZnO 4000 [ZnO] = 2.0 g/L (Modelo propuesto) [ZnO] = 2.0 g/L (Modelo Pseudo primer orden) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 C (ppm) 0 Grafica de la inversa de kapp versus la concentración, 3.0 g/L de ZnO 6000 [ZnO] = 3.0 g/L (Modelo propuesto) [ZnO] = 3.0 g/L (Modelo Pseudo primer orden) 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 C (ppm) 0 152 1/B ó 1/k (min) 1/B ó 1/k (min) 1 app 1 app ANEXO Nº 5 Graficas de la velocidad 153 Graficas de la velocidad para diferentes concentraciones de metamidofos con 0.5 g/L de ZnO. Graficas de la velocidad para diferentes concentraciones de metamidofos con 1.0 g/L de ZnO. Graficas de la velocidad para diferentes concentraciones de metamidofos con 2.0 g/L de ZnO. 154 Graficas de la velocidad para diferentes concentraciones de metamidofos con 3.0 g/L de ZnO. 155 ANEXO Nº 6 CERTIFICADOS DE ANALISIS DEL ESTANDAR DE METAMIDOFOS 156 157 ANEXO Nº 7 DATOS EXPERIMENTALES 158 Anexo 7. 1 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para diferentes concentraciones de metamidofos con 0.0 g/L de ZnO (Blanco). [Mt] [Mt] [Mt] [Mt] tiempo, CV CV CV CV min 15 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm 0 17.2036 24.4569 50.0742 1.04 95.4933 0.54 0.09 0.86 15 17.0090 24.1059 50.2131 2.58 94.5559 0.84 0.53 0.26 30 16.9572 24.0123 50.1042 0.42 95.1893 3.10 0.66 0.38 60 17.0554 23.9930 50.0103 0.06 96.0984 1.84 0.83 0.01 120 16.5200 24.2642 50.9155 1.74 95.4666 0.08 2.46 0.57 180 17.0641 24.6837 50.2927 0.63 96.9522 0.17 0.84 0.05 240 17.0428 24.3898 50.9793 1.74 95.9046 0.91 0.63 1.23 300 16.7487 24.4809 50.6612 0.04 95.8642 0.28 0.63 1.82 Anexo 7. 2 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para diferentes concentraciones de metamidofos con 0.5 g/L de ZnO. [Mt] [Mt] [Mt] [Mt] tiempo, CV CV CV CV min 15 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm 0 15.6928 1.08 24.1567 0.14 49.5671 0.92 100.7188 0.05 15 14.4443 0.50 23.1303 0.25 47.8722 1.05 99.6676 0.08 30 13.9602 1.11 22.5098 2.37 47.0969 0.59 99.4331 0.33 60 13.3115 0.63 21.8267 0.36 47.0683 0.13 99.1632 0.78 120 11.943 1.29 20.8495 1.34 45.757 0.08 98.6139 2.46 180 11.0397 0.71 20.015 0.40 45.2977 3.22 97.8408 0.25 240 10.1364 0.76 19.8575 2.35 45.2436 1.07 97.6809 0.16 300 9.7571 1.37 19.5475 1.12 44.9177 1.44 97.653 0.08 159 Anexo 7. 3 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para diferentes concentraciones de metamidofos con 1.0 g/L de ZnO. [Mt] [Mt] [Mt] [Mt] tiempo, CV CV CV CV min 15 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm 0 15.8391 1.40 26.9588 1.25 48.3639 0.06 100.4513 0.08 15 14.4151 3.83 25.3004 3.17 46.7334 0.17 100.1637 0.08 30 13.5923 2.34 23.883 1.26 45.5135 1.70 99.7677 0.58 60 12.4309 0.34 23.0228 4.50 44.5933 0.02 98.9684 1.54 120 10.9177 5.36 21.7871 3.56 42.7868 0.36 98.1767 1.19 180 10.221 4.22 20.9324 3.17 42.3436 0.18 97.8424 0.49 240 9.1365 4.67 19.968 3.16 41.5227 0.04 97.8528 0.79 300 8.7566 1.34 19.5347 0.96 41.333 0.45 97.7436 0.08 Anexo 7. 4 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para diferentes concentraciones de metamidofos con 2.0 g/L de ZnO. [Mt] [Mt] [Mt] [Mt] tiempo, CV CV CV CV min 15 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm 0 15.8391 1.40 26.7691 2.56 48.3639 0.06 104.9978 1.18 15 14.5955 0.98 24.0219 1.93 46.3999 1.00 103.4352 0.15 30 13.6336 2.04 22.8285 0.96 44.4623 0.17 102.0251 0.03 60 11.553 1.65 21.6199 3.82 42.8364 0.36 100.7889 0.11 120 10.0783 0.29 19.452 1.19 40.7286 0.57 99.1229 0.16 180 8.5176 2.96 18.0059 2.50 39.4591 0.39 97.2423 0.35 240 7.3867 0.65 17.0939 2.51 38.1126 1.42 97.3136 1.20 300 6.785 0.02 15.9171 0.50 37.5832 0.04 96.7689 2.04 160 Anexo 7. 5 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para diferentes concentraciones de metamidofos con 3.0 g/L de ZnO. [Mt] [Mt] [Mt] [Mt] tiempo, CV CV CV CV min 15 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm 0 16.6114 0.83 24.1567 0.14 49.5671 0.92 100.7188 0.05 15 14.1998 1.80 21.5175 2.25 47.7884 0.10 98.9307 0.15 30 13.2518 2.02 20.3332 0.71 45.3015 0.08 97.0352 0.03 60 11.2378 1.12 18.6565 2.67 43.7138 0.58 95.6664 0.03 120 8.6382 4.18 16.0397 2.30 40.9166 2.10 94.2779 0.10 180 7.2672 4.20 13.9034 4.10 38.8571 0.62 93.3099 0.43 240 6.2681 9.92 12.0952 2.25 37.3046 0.81 92.1946 0.14 300 5.2305 2.22 11.3093 0.30 35.8405 1.48 91.7075 0.72 Anexo 7. 6 Resultados del ensayo de degradación fotocatalítica para una muestra real contaminada con 15 ppm de metamidofos y tratada con 2.0 g/L de ZnO. [Mt] tiempo, CV min ppm 0 13.2158 1.17 15 11.8027 1.96 30 10.9092 0.71 60 10.2892 0.23 120 9.5699 1.61 180 8.7206 1.77 240 8.4390 2.74 30 8.0362 2.69 161 ANEXO Nº 8 FOTOS 162 Anexo 8. 7 Lámpara UV-A de trabajo (emisión 365 nm). Anexo 8. 8 Disoluciones de ZnO en las soluciones de contaminante antes y después del tratamiento. 163 Anexo 8. 9 Estándar de metamidofos Fluka Anexo 8. 10 Metamidofos comercial (TQC) 164 ANEXO Nº 9 PRUEBA ANOVA 165 ANOVA Multifactorial - Degradación, % Variable dependiente: Degradación, % Factores: [Mt], ppm [ZnO], g/L Número de casos completos: 16 El StatAdvisor Este procedimiento ejecuta un análisis de varianza de varios factores para Degradación, %. Realiza varias pruebas y gráficas para determinar que factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre Degradación, %. También evalúa la significancia de las interacciones entre los factores, si es que hay suficientes datos. Las pruebas-F en la tabla ANOVA le permitirán identificar los factores significativos. Para cada factor significativo, las Pruebas de Rangos Múltiples le dirán cuales medias son significativamente diferentes de otras. La Gráfica de Medias y la Gráfica de Interacciones le ayudarán a interpretar los efectos significativos. Las Gráficas de Residuos le ayudarán a juzgar si los datos han violado los supuestos subyacentes al análisis de varianza. Dispersión por Código de Nivel 80 60 40 20 0 15 25 50 100 [Mt], ppm Análisis de Varianza para Degradacion, % - Suma de Cuadrados Tipo III Fuente Suma de Gl Cuadrado Razón-F Valor-P Cuadrados Medio EFECTOS PRINCIPALES A:[Mt], ppm 7411.24 3 2470.41 41.77 0.0000 B:[ZnO], g/L 2217.06 3 739.019 12.50 0.0015 RESIDUOS 532.269 9 59.141 TOTAL 10160.6 15 (CORREGIDO) 166 Degradacion, % Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual El StatAdvisor La tabla ANOVA descompone la variabilidad de Degradación, % en contribuciones debidas a varios factores. Puesto que se ha escogido la suma de cuadrados Tipo III (por omisión), la contribución de cada factor se mide eliminando los efectos de los demás factores. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno de los factores. Puesto que 2 valores-P son menores que 0.05, estos factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre Degradación, % con un 95.0% de nivel de confianza. ANOVA Gráfico para Degradacion, % 0.5 1 2 3 [ZnO], g/L P = 0.0015 100 50 25 15 [Mt], ppm P = 0.0000 Residuos -49 -29 -9 11 31 51 Tabla de Medias por Mínimos Cuadrados para Degradación, % con intervalos de confianza del 95.0% Error Límite Límite Nivel Casos Media Est. Inferior Superio r MEDIA 16 35.9606 GLOBAL [Mt], ppm 15 4 65.33 3.84516 56.6316 74.0284 25 4 45.3125 3.84516 36.6141 54.0109 50 4 25.35 3.84516 16.6516 34.0484 100 4 7.85 3.84516 - 16.5484 0.848378 [ZnO], g/L 0.5 4 20.975 3.84516 12.2766 29.6734 1 4 29.285 3.84516 20.5866 37.9834 2 4 41.765 3.84516 33.0666 50.4634 3 4 51.8175 3.84516 43.1191 60.5159 167 El StatAdvisor Esta tabla muestra la media de Degradación, % para cada uno de los niveles de los factores. También muestra los errores estándar de cada media, los cuales son una medida de la variabilidad en su muestreo. Las dos columnas de la extrema derecha muestran intervalos de confianza del 95.0% para cada una de las medias. Pueden desplegarse estas medias e intervalos seleccionado Gráfica de Medias de la lista de Opciones Gráficas. Medias y 95.0% de Fisher LSD 80 60 40 20 0 15 25 50 100 [Mt], ppm Pruebas de Múltiple Rangos para Degradacion, % por [ZnO], g/L Método: 95.0 porcentaje Tukey HSD [ZnO], Casos Media Sigma Grupos g/L LS LS Homogéneos 0.5 4 20.975 3.84516 X 1 4 29.285 3.84516 XX 2 4 41.765 3.84516 XX 3 4 51.8175 3.84516 X Contrast Sig. Diferenci +/- e a Límites 0.5 - 1 -8.31 16.9881 0.5 - 2 * -20.79 16.9881 0.5 - 3 * -30.8425 16.9881 1 - 2 -12.48 16.9881 1 - 3 * -22.5325 16.9881 2 - 3 -10.0525 16.9881 * indica una diferencia significativa. El StatAdvisor Esta tabla aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras. La mitad inferior de la salida muestra las diferencias estimadas entre cada par de medias. El asterisco que se 168 Degradacion, % encuentra al lado de los 3 pares indica que estos pares muestran diferencias estadísticamente significativas con un nivel del 95.0% de confianza. En la parte superior de la página, se han identificado 3 grupos homogéneos según la alineación de las X's en columnas. No existen diferencias estadísticamente significativas entre aquellos niveles que compartan una misma columna de X's. El método empleado actualmente para discriminar entre las medias es el procedimiento de diferencia honestamente significativa (HSD) de Tukey. Con este método hay un riesgo del 5.0% al decir que uno o más pares son significativamente diferentes, cuando la diferencia real es igual a 0. Pruebas de Múltiple Rangos para Degradacion, % por [Mt], ppm Método: 95.0 porcentaje Tukey HSD [Mt], ppm Casos Media Sigma Grupos LS LS Homogéneos 100 4 7.85 3.84516 X 50 4 25.35 3.84516 X 25 4 45.3125 3.84516 X 15 4 65.33 3.84516 X Contrast Sig. Diferenci +/- e a Límites 15 - 25 * 20.0175 16.9881 15 - 50 * 39.98 16.9881 15 - 100 * 57.48 16.9881 25 - 50 * 19.9625 16.9881 25 - 100 * 37.4625 16.9881 50 - 100 * 17.5 16.9881 * indica una diferencia significativa. El StatAdvisor Esta tabla aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras. La mitad inferior de la salida muestra las diferencias estimadas entre cada par de medias. El asterisco que se encuentra al lado de los 6 pares indica que estos pares muestran diferencias estadísticamente significativas con un nivel del 95.0% de confianza. En la parte superior de la página, se han identificado 4 grupos homogéneos según la alineación de las X's en columnas. No existen diferencias estadísticamente significativas entre aquellos niveles que compartan una misma columna de X's. El método empleado actualmente para discriminar entre las medias es el procedimiento de diferencia honestamente significativa (HSD) de Tukey. Con este método hay un riesgo del 5.0% al decir que uno o más pares son significativamente diferentes, cuando la diferencia real es igual a 0. 169