Antes de explicar en qué consiste la fotocatálisis, conviene definir los términos luz y catalizador: La luz visible está compuesta por los rayos que pueden ser percibidos por el ojo humano; mientras, los que no vemos, son conocidos como espectro no visible (luz ultravioleta e infrarroja, por ejemplo). Estos últimos forman parte del conjunto de ondas del espectro electromagnético que llega a la Tierra debido a la emisión del Sol, y que percibimos por sus efectos en la piel como sensación de calor y cambio de pigmentación, respectivamente.
     Por otro lado, el catalizador es la sustancia que modifica únicamente la velocidad de una reacción química (aumenta o disminuye); por lo tanto, si hablamos de un fotocatalizador, la reacción química que se lleva a cabo sobre el material se modifica por la presencia de la luz.
     Así, fotocatálisis y geopolímero forman un proceso a partir del cual el compuesto orgánico volátil se adsorbe en la superficie del geopolímero (figura 2). Se activa el fotocatalizador (geopolímero + TiO₂) en presencia de luz ultravioleta del Sol y de la humedad del ambiente. Esto genera radicales libres (oxidantes) capaces de destruir agentes contaminantes como: virus, bacterias, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles que, finalmente, se desorben; es decir, las moléculas oxidadas regresan al ambiente. De esta manera, los compuestos orgánicos volátiles son destruidos en su totalidad, desapareciendo y eliminando sus olores característicos.

Figura 2. Representación del proceso de fotocatálisis en el geopolímero. Fuente: elaboración propia.
   El geopolímero es un compuesto semejante a un polímero orgánico (conocido generalmente como plástico), cuya estructura no incluye átomos de carbón. Se crea a partir de la repetición de unidades químicas a lo largo de toda una cadena; es algo similar a construir un tren mediante la unión de muchos vagones que se repiten. En este caso, esas unidades químicas son estructuras conocidas como sialato, sialato-siloxo y sialato-disiloxo, en cuya cadena se encuentran incluidos iones positivos (por ejemplo: Na⁺, K⁺, Li⁺) que balancean la carga negativa del Al³⁺ en el enlace tetraédrico⁴ (figura 3).   
Figura 3. Escala de referencia para los poros del geopolímero. Fuente: elaboración propia.

Esta incorporación se logra a través de una reacción química entre el geopolímero no soluble y una solución electrolítica que porta óxidos de titanio. Al mojar este sólido con la solución, los iones (Na⁺) que balancean la carga negativa del Al³⁺ se mueven libremente dentro del material y son reemplazados por los óxidos de titanio de la solución. Este intercambio de Na⁺ por óxidos de titanio permite que, dentro de los poros del geopolímero (de aproximadamente 15 nm) se ubiquen partículas de TiO₂ que crecen al tamaño de las dimensiones del poro (figura 4), lo cual provoca un incremento en las áreas donde las moléculas contaminantes se adhieren y degradan (también conocidas como sitios activos), dando al geopolímero —en consecuencia— la propiedad de eliminar compuestos orgánicos volátiles (figura 4).

Figura 4. Las partículas de TiO₂ de una muestra de geopolímero se distinguen como puntos claros en las zonas encerradas en óvalos rojos. La apariencia es parecida a la superficie de una fresa. Fuente: elaboración propia.

 

1. Se llena el fotorreactor con una mezcla de aire puro (80% nitrógeno -20% oxígeno). 2. Con una jeringa se inyecta 2-butanona a través de una membrana en el reactor, la cual se volatiliza inmediatamente. 3. Con el tiempo, se estabiliza la concentración de 2-butanona en el reactor antes de encender la fuente de luz y se toma muestras del gas contenido en el reactor para determinar su concentración de referencia.

4. Se enciende la fuente de luz y se toma muestras del aire en reactor con una jeringa para gases en intervalos de tiempo definidos. 5. La muestra de gas es inyectada en el cromatógrafo de gases, se determina la presencia de los subproductos de reacción y se mide la concentración de la 2-butanona a través del tiempo. 6. Se hace un estudio estadístico y se estima la velocidad de degradación de la 2-butanona.

 

Actualmente, se ha probado el desempeño de este geopolímero en un fotorreactor, el cual es un espacio confinado en el que entra en contacto el geopolímero irradiado por luz ultravioleta con una muestra de aire contaminada con 2-butanona. Es en este espacio donde se imita las condiciones normales de temperatura, humedad y presión del aire para medir continuamente las concentraciones de los componentes químicos presentes con un cromatógrafo de gases.
     Los subproductos derivados de esta fotocatálisis son la acetona y el acetaldehído, y se observa una correspondiente reducción en la concentración de la 2-butanona con el transcurso del tiempo. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, la gama de compuestos orgánicos a los que estamos expuestos es mayor; por lo que continuamos llevando a cabo estudios con otros compuestos contaminantes; los cuales se realizan en los centros mencionados a continuación y con el apoyo de un equipo interdisciplinario de investigadores adscritos a éstos: Universidad de Guanajuato (UG campus Celaya-Salvatierra), Centro de Investigación y de Estudios Avanzados-IPN (Cinvestav Querétaro) y Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA Querétaro); quienes buscamos la sustitución de algunos de los materiales de construcción, por materiales sustentables, funcionales y amigables con el medio ambiente.

Los autores agradecen a Marco Antonio Miranda Ochoa y Denisse Jazmín Delgado González, Coordinador y Asistente de Diseño, respectivamente, de la Unidad de Enlace y Comunicación de la Universidad de Guanajuato (campus Celaya-Salvatierra), por la edición de las figuras del presente documento.