Espumas cerámicas de nanopartículas de sílice biogénica y dióxido de titanio dopado con cobre, para la degradación fotocatalítica en el espectro visible, de contaminantes emergentes

Abstract

Los contaminantes emergentes en el agua representan un desafío ambiental debido a la limitada eficiencia de las plantas de tratamiento convencionales. En este contexto, la fotocatálisis, como proceso de oxidación avanzada, surge como una alternativa eficaz. En esta investigación se evaluó el desempeño de espumas cerámicas fotocatalíticas elaboradas a partir de sílice biogénica (cascarilla de arroz) y nanopartículas de dióxido de titanio modificadas superficialmente con cobre (NP Cu-TiO2). Las NP Cu-TiO2 se sintetizaron por molienda mecánica e impregnación húmeda, mientras que las espumas cerámicas se obtuvieron mediante espumación directa con CO2, empleando un proceso ecoamigable. La caracterización de las NP Cu-TiO2 incluyó DLS, MEB, EDX, FTIR, DRX, XPS y UV-Vis, confirmando la fase anatasa, la presencia de Cu2+ como CuO, tamaños entre 16–19 nm y una reducción del bandgap (3,16 a 2,84 eV). Las espumas se analizaron por DRX, MEB-EDX, FTIR, BET y porosimetría de mercurio, identificándose macroporos interconectados. La eficiencia fotocatalítica se probó en la degradación de acetaminofén (10 ppm, pH 8), evaluando espumas EC0 (0% Cu), EC0.1 (0,1% Cu), EC0.5 (0,5% Cu) y EC1 (1% Cu), con cargas de 0,5–1,5 g/L, bajo radiación solar artificial y natural. Con irradiación artificial (200 kJ/m2, 83 min) se alcanzó 86,5% de degradación empleando EC1 a 1,5 g/L, mientras que bajo radiación solar natural se logró hasta 91%. Los datos experimentales se ajustaron satisfactoriamente al modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood. El cobre favoreció la absorción en el rango visible y la separación de cargas, mientras que la mayor carga de fotocatalizador incrementó los sitios activos disponibles. Estos resultados evidencian el potencial de las espumas cerámicas basadas en sílice biogénica y NP Cu-TiO2 como materiales sostenibles y eficientes para la eliminación de contaminantes farmacéuticos en agua, alineados con principios de economía circular y uso de energías renovables.