A pesar de los importantes logros en la búsqueda de una mayor eficiencia y productividad de los procesos químicos, el tratamiento de efluentes industriales que contienen contaminantes orgánicos e inorgánicos es todavía un serio problema por resolver. Los efluentes acuosos provenientes de una gran variedad de industrias químicas, petroquímicas y farmacéuticas contienen compuestos orgánicos tóxicos de estructura compleja (medicamentos, surfactantes, tintes, fenoles, bencenos, derivados aromáticos clorados, etc.) en distintas concentraciones y combinaciones, las cuales resultan peligrosas tanto para su descarga al medio ambiente como para ser almacenadas. En muchos casos, estos efluentes son refractarios (resistentes) al tratamiento biológico, por lo que la biodegradación directa del efluente no constituye una verdadera alternativa.

No obstante, hay un gran incentivo para la búsqueda de alternativas económicas que posibiliten una degradación efectiva de la carga orgánica y su toxicidad, y no produzcan efectos colaterales que sólo trasladen el problema (por ejemplo, almacenamiento indefinido) y no lo resuelven. Una alternativa especialmente relevante es el tratamiento con agentes químicos capaces de transformar los contaminantes orgánicos en compuestos inocuos como dióxido de carbono y agua, mediante un proceso de oxidación.

El tratamiento de aguas residuales por medio de foto-catálisis que utilice TiO₂ como catalizador se ha convertido en un área de interés tanto para la ciencia básica como para la aplicada. Son numerosos los reportes que avalan la factibilidad de este proceso para el tratamiento de efluentes industriales; sin embargo, es sorprendente que la mayoría de estos estudios se limitan a experimentos en el ámbito del laboratorio sin el seguimiento de los mismos para su aplicación industrial.

El proceso de foto-catálisis se puede llevar a cabo de diversas maneras; los primeros experimentos muestran el uso de suspensiones acuosas de TiO₂ y contaminante, las cuales son radiadas con luz UV por un lapso aproximado de cuatro horas. La dispersión del catalizador en la solución se logra mediante agitación mecánica o magnética. Es recomendable airear la solución, ya que el oxígeno sirve como aceptor de electrones (forma radicales superóxido O₂∙ en la BV), previniendo con ello la recombinación electrónhueco. La principal desventaja de esta metodología radica en la separación del catalizador una vez concluido el tratamiento del efluente.

El empleo de catalizadores inmovilizados en un soporte (en forma de películas delgadas, por ejemplo) facilita el proceso de remoción del catalizador. La producción de películas delgadas de TiO₂ puede ser llevada a cabo por medios físicos (depósito con láser) o químicos (depósito químico de vapores, depósito a partir de una solución). La eficiencia de las películas delgadas se presenta en función de su estructura, la cual es a su vez dependiente del proceso empleado para su fabricación. El empleo de métodos químicos para el depósito de películas delgadas de TiO₂ ha permitido mayor control del proceso de crecimiento de la película (composición, estructura, nivel de impurezas, etc.) a un menor costo.

En el caso de oxidación fotocatalítica (mediante el empleo de catalizador inmovilizado), el problema más comúnmente encontrado es la disminución de la eficiencia del foto-catalizador –después de repetidos ciclos de catálisis– causada principalmente por la adsorción de contaminantes en la superficie foto catalítica, los cuales bloquean los sitios activos a la luz, evitando con esto la degradación de los mismos. Este problema se puede resolver al aplicar una técnica de foto-catálisis que permita la continua limpieza (por ejemplo, el uso de radiación de ultrasonidos) de la superficie del catalizador durante la operación. Actualmente, ya existen algunos trabajos en la bibliografía, en los cuales se reporta el desarrollo de reactores sono-fotocatalíticos (ultrasonido-UV-TiO₂) encaminados al tratamiento de aguas residuales.

La implementación industrial del proceso de foto-catálisis se encuentra restringida, debido principalmente a la baja eficiencia del mismo (recombinación e^-/h⁺) y el empleo de radiación UV como fuente de activación del catalizador. Algunos estudios actuales están enfocados a la resolución de estos problemas; en ellos se explora la posibilidad de modificar la composición del TiO₂ por medio de dopaje con metales (introintroducción de átomos metálicos en la estructura cristalina de TiO₂ para modificar E_g), dopaje con aniones, sensitivización con pigmentos (aplicar película delgada de pigmento sobre superficie de TiO₂). Estos estudios tienen como objetivo la fabricación de materiales más eficientes y activos con luz visible, particularmente, la solar.