AUTOR:
María Teresa Villalpando Iribarren
CENTRO:
Colegio Gondomar
EMAIL:
tersavillalpando@gondomarcolegio.onmicrosoft.com
DESCRIPCIÓN:
En las grandes áreas metropolitanas del mundo se está generando una alta concentración de contaminantes atmosféricos, los cuales están propiciando serios problemas de calidad del aire y de salud pública. Para abordar estos problemas, el uso de los materiales de construcción fotocatalíticos en los últimos años, ha surgido como una nueva tecnología alternativa para remediar la contaminación de la atmósfera urbana, manteniendo la funcionalidad de las infraestructuras. En este contexto, han surgido varios productos provistos de este tipo de material, sin embargo, tienen varias limitaciones. Es aquí donde surge nuestro proyecto, que busca aumentar la eficiencia en la degradación de contaminantes atmosféricos, al tiempo que reutiliza residuos orgánicos, ofreciendo una solución sostenible, económica y ecológica para mejorar la calidad del aire en entornos metropolitanos.
Nuestro proyecto se centra en el diseño y desarrollo de una pintura fotocatalítica sostenible capaz de reducir la contaminación atmosférica urbana utilizando una formulación compuesta por dióxido de titanio (TiO₂) y biocarbón derivado de cáscara de piña. El TiO₂, activado por la luz solar, permite la degradación de contaminantes como óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos orgánicos volátiles (COVs) y CO₂. Por su parte, el biocarbón actúa como soporte poroso, mejorando la adsorción de gases y facilitando la separación de cargas fotoexcitadas, lo que potencia la eficiencia del proceso fotocatalítico. Al aplicar nuestra pintura sobre fachadas, muros, techos y otras superficies urbanas expuestas al sol, contribuiríamos a la purificación del aire de forma continua. Además, el uso de residuos orgánicos como la cáscara de piña nos permite reutilizar desechos agrícolas, integrando los principios de la economía circular. Buscamos utilizar los fundamentos de la química para desarrollar una alternativa ecológica, accesible y funcional frente a los materiales convencionales, con el objetivo de mejorar la sostenibilidad urbana y contribuir a la reducción del cambio climático, pues somos muy conscientes de sus consecuencias y queremos contribuir en la causa.
Para el desarrollo de este proyecto se ha seguido el método científico, estructurando el trabajo en diferentes fases que incluyen la observación del problema ambiental, la formulación de una hipótesis sobre la mejora de materiales fotocatalíticos, el diseño experimental, y la validación de resultados.
La metodología se centra en la síntesis de un fotocatalizador híbrido, compuesto por dióxido de titanio de tipo atanasa (TiO₂) y biocarbón activado derivado de cáscara de piña, con el objetivo de evaluar su eficacia en la reducción de compuestos contaminantes atmosféricos, especialmente CO₂. A continuación, describimos el proceso químico utilizado, los fundamentos de cada componente, el proceso de obtención del biocarbón, y las ventajas de su combinación con TiO₂ en un único material funcional.
La fotocatálisis es el proceso químico en el cual un catalizador semiconductor (como el dióxido de titanio que es el que hemos elegido, TiO₂) acelera reacciones químicas mediante la absorción de luz (fotones). Al incidir radiación (como la luz solar) con energía suficiente, los electrones del semiconductor se excitan y pasan de la banda de valencia a la banda de conducción. Dichas bandas se generan por la gran cantidad de átomos presentes en un material sólido que, al estar tan cerca unos de otros, configuran niveles de energía en forma de bandas, donde cada una tiene una energía diferente, y en su estado fundamental los electrones tienden a llenar estas bandas iniciando desde la más baja hasta la más alta, de forma similar a como los electrones ocuparían los orbitales en un átomo. Esto forma pares electrón-hueco, que, al llegar a la superficie del material, participan en reacciones redox con las sustancias adsorbidas.
Estas reacciones permiten:
- La reducción del oxígeno formando radicales reactivos.
- La oxidación del agua generando radicales hidroxilo.
Ambos radicales son altamente reactivos y pueden degradar contaminantes orgánicos, inactivar microorganismos y neutralizar gases nocivos como NOx y SOx.
Sin embargo, los fotocatalizadores convencionales a base de TiO₂ presentan varias limitaciones: al absorber prácticamente solo luz ultravioleta, su rendimiento bajo iluminación solar es bajo; además, la rápida recombinación de electrones y huecos reduce drásticamente su eficiencia, y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse disminuye su área activa disponible. Asimismo, su capacidad de adsorción de contaminantes es limitada ya que carecen de un soporte poroso, lo que dificulta concentrar los compuestos nocivos cerca de la superficie reactiva.
Por ello, buscamos materiales con propiedades que los pudieran mejorar, y dimos con el biocarbón. Al incorporarlo, aprovecharíamos lo mejor de ambos compuestos, la actividad fotocatalítica del TiO₂ y las propiedades estructurales y electrónicas del biocarbón.
El biocarbón es un material de carbono muy poroso que tiene muchos grupos químicos con oxígeno en su superficie. Estos grupos lo hacen útil para captar contaminantes, conducir electrones y actuar como soporte para otros compuestos. En nuestro proyecto, lo obtenemos a partir de cáscaras de piña, un residuo vegetal que normalmente se desecha.
No tiene una fórmula química fija, ya que es un material amorfo y heterogéneo. La composición del biocarbón depende mucho del tipo de biomasa usada y de las condiciones de pirólisis, pero principalmente se compone por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y trazas de minerales (como K, Ca, Mg, Fe…).
Dado que no disponemos de hornos de alta temperatura ni de sistemas controlados para atmósfera inerte, hemos propuesto un procedimiento para obtener biocarbón a partir de cáscaras de piña. Usamos un horno convencional para el secado y un sistema cerrado para realizar una pirólisis básica, impregnamos las cáscaras ya carbonizadas con una solución diluida de H₃PO₄ (ácido fosfórico), lo dejamos secar, y luego hicimos una segunda calcinación, lo que nos permitió obtener un material carbonoso más o menos funcional. El activador reacciona con la biomasa y rompe enlaces químicos, especialmente los de carbono-oxígeno e hidroxilos. Esto crea huecos y canales microscópicos que luego se convierten en poros cuando el material se calienta.
Aunque no podemos igualar la calidad de un biocarbón activado industrial, sirve como demostración experimental.
Con los instrumentos adecuados, como un horno potente, podríamos haber realizado la pirólisis a 500-600 °C, y podríamos haber activado químicamente el biocarbón impregnándolo con KOH o ZnCl₂ y sometiéndolo a otra calcinación, a 400 °C lo que estimamos que aumentaría su superficie específica (parámetro medido comúnmente como área BET), llegando a los 500 m²/g.
Primero, disolvimos manualmente el dióxido de titanio (TiO₂) en etanol, removiendo enérgicamente con una varilla durante varios minutos, hasta que logramos una dispersión uniforme. A continuación, incorporamos el biocarbón previamente triturado. Mantuvimos la agitación constante unos minutos más para favorecer la homogeneización. Una vez obtenida la mezcla, dejamos que el etanol se evaporara a temperatura ambiente. Por último, tamizamos el material obtenido hasta que conseguimos un polvo fino que pudiésemos añadir a una pintura, creando así nuestro prototipo de pintura fotocatalítica más eficiente.
Con la incorporación de biocarbón al material, esperamos:
- Concentrar los contaminantes cerca de la superficie activa del TiO₂, favoreciendo su interacción con los pares electrón-hueco generados durante la fotocatálisis.
- Una mejor separación de cargas (electrón/hueco) Al incorporar biocarbón, este actúa como receptor de electrones ya que facilita su transporte y reduce la posibilidad de recombinación. Esta mejora en la separación de cargas se refleja en una vida media más larga de los portadores (τ₂) lo que maximiza su eficiencia fotocatalítica. Esto puede observarse mediante técnicas como la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo
- Extender el rango de absorción hacia la región del visible, mediante la formación de niveles intermedios de energía en la estructura del compuesto, (TRPL). (El TiO₂, por sí solo, absorbe principalmente luz ultravioleta)
- Evitar la aglomeración del TiO₂, es decir, que las partículas se unan entre sí formando bloques inactivos.
Dado nuestros recursos limitados, hemos optado por un método experimental sencillo para comparar la eficacia de una pintura fotocatalítica convencional con la desarrollada en nuestro proyecto (a base de TiO₂ y biocarbón). Para ello:
- Empleamos dos cajas selladas transparentes con condiciones ambientales idénticas. En cada caja se coloca una placa recubierta de pintura: una con la formulación convencional y otra con la nuestra.
- Se introduce una cantidad conocida del mismo contaminante (por ejemplo, azul de metileno(C₁₆H₁₈ClN₃S.)) en ambas cajas para simular condiciones de contaminación.
- A continuación, irradiamos con la misma fuente lumínica y, tras un tiempo determinado, medimos la concentración de contaminante con un medidor accesible (como un fotómetro o un sensor específico de CO₂).
Los datos se comparan en función del descenso de la concentración, de forma que, si nuestra pintura es más eficaz, se observará una mayor reducción del contaminante en la caja que contiene nuestro material
Si pudiésemos experimentar con equipos de medida más sofisticados, podríamos obtener detalles más precisos de las características de nuestro proyecto.
Los pasos que tuvimos que seguir se dividen en 3:
1- obtener biocarbón
2- Preparar pintura
3- comprobación efectividad
1) BIOCARBÓN: como base= cáscaras de piña
Cómo no tenemos hornos alta temperatura ni sistemas controlades para atmósfera inerte usamos un horno convencional para secado y un sistema cerrado para realizar una pirólisis básica.
-Para aumentar su efectividad, consideramos utilizar ácido fosfórico para que actuase como activador, reaccionando con la biomasa y rompiendo enlaces químicos Esto crearía huecos y canales que se convertirían en poros, los cuales aportarían mayor efectividad al biocarbón. No obstante, ante la falta de este compuesto, no hemos podido incluirlo.
2) PREP PINTURA
1-disolvimos manualmente el TiO2, en etanol hasta lograr dispersión uniforme
2- incorporamos biocarbón previamente triturado, aún removiendo
3- una vez obtenida mezcla, dejamos que el etanol se evaporase, para obtener un polvo fino que tamizamos al añadirlo al barniz; creando así nuestra pintura.
Hicimos este procedimiento en 3 pruebas con distintos porcentajes de cantidades: A-alta en Tio2, B-equilibrada, C-alta en biocarbón. También hicimos una cuarta muestra que solo contenía Tio2 y el barniz de base.
3) COMPROB. EFECT:
Hemos optado por un método experimental sencillo para comparar eficacia de nuestros compuestos Para ello:
– empleamos 2 cajas selladas transparentes con condiciones ambientales 1 con convencional idénticas. En cada caja->1 placa recubierta con la pintura: 1 con la convencional y la otra con nuestra pintura equilibrada.
– añadimos el contaminante, en este caso, azul de metileno
-exposición a luz solar 3 horas
-medimos la concentración de contaminante, mediante una comparación de la intensidad del pigmento, de forma que, si es más eficaz, se observará una mayor reducción del azul de metileno.
Sin embargo, para poder mostrarlo, la hemos aplicado a este ladrillo.
Partiendo la pintura fotocatalítica convencional, cuyo 80% es barniz y el otro 20% resultante es TiO2 puro, pudimos sacar las medidas. Mantuvimos el 80% de barniz, variando dentro del propio 20% entre biocarbón y TiO2.
A-Alta en TiO2= 3’2gr de TiO2 frente a 0’8 de biocarbón en una muestra de 20 gr de pintura.
C-Alta en biocarbón= al contrario
B-equilibrada= posee 2gr de TiO2 y 2 gr de biocarbón.
ENLACE:
https://www.canva.com/design/DAGnyYCKpFY/mmi-4adPu5hFOTjV-0G39A/edit
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