Nanoestructuras de compuestos de bismuto e hidróxido doble laminar y su aplicación en la eliminación de tetraciclina del agua vía fotocatálisis y adsorción

Abstract

La tetraciclina (TC) es un antibiótico de uso humano y veterinario, detectado en diversos cuerpos de agua. En este trabajo se sintetizaron, vía hidrotermal, novedosas nanoestructuras (NEs) bifuncionales constituidas por óxidos de bismuto (Bi2WO6 o BiVO4) y un hidróxido doble laminar (HDL) de Mg/Al-CO3, con relaciones Bi2WO6 o BiVO4(BVO)/HDL de 2:1, 1:1 y 1:2. Estas NEs se evaluaron en la eliminación de TC mediante fotocatálisis y adsorción. Las NEs presentaron estructura meso/macroporosa, fotoactividad bajo luz visible, y puntos isoeléctricos entre pH de 7.62 y 10.85. La NE con relación 2:1 (2BVO/HDL) mostró la mayor actividad, degradando 80% de TC (k1= 9.95×10-2 1/min) en 45 min bajo irradiación LED (condiciones: TC 15 mg/L, pH 5 y dosis 50/100 mg/mL). Los estudios de captura de especies indicaron que los huecos y los radicales superóxidos fueron las principales especies reactivas, lo que concordó con el mecanismo de transferencia de cargas postulado. La eficiencia de 2BVO/HDL disminuyó únicamente 2% después de cinco ciclos de reúso fotocatalíticos. Los estudios de adsorción de TC sobre 2BVO/HDL mostraron que el incremento del pH de 4 a 7 y de la fuerza iónica (FI) de 0.01 a 0.5 N mejoró la capacidad de adsorción. Este efecto se atribuyó a las atracciones electrostáticas entre la NE y la TC, confirmadas mediante experimentos de potencial Zeta. La máxima capacidad de adsorción fue de 84 mg/g a pH 5, FI 0.01 N y 25 °C. Las NEs de óxidos de bismuto/HDL representan una alternativa viable para la remoción de contaminantes emergentes.

Tetracycline (TC), an antibiotic used in humans and animals, has been detected in surface water. In this study, novel bifunctional nanostructures (NEs) were synthesized via a hydrothermal route using bismuth oxides (Bi2WO6 or BiVO4) and Mg/Al-CO3 layered double hydroxide (LDH) in Bi2WO6 or BiVO4(BVO)/LDH ratios of 2:1, 1:1, and 1:2. These NEs, featuring meso/macroporous structures, visible-light photoactivity, and isoelectric points from pH 7.62 to 10.85. They were tested for photocatalytic and adsorptive removal of TC. The NE with a 2:1 ratio (2BVO/HDL) showed the highest activity, degrading 80% of TC (k1 = 9.95×10-2 1/min) after 45 min under LED irradiation (suitable conditions: 15 mg/L TC, pH 5, 50/100 mg/mL dosage). Scavenger studies indicated that holes and superoxide radicals were the main reactive species, which is consistent with the proposed charge transfer mechanism. The efficiency of 2BVO/HDL decreased 2% after five photocatalytic reuse cycles. Adsorption studies of TC on 2BVO/HDL revealed that increasing the pH from 4 to 7 and raising the ionic strength (IS) from 0.01 to 0.5 N enhanced the adsorption capacity. This enhancement was attributed to electrostatic attractions between the NE and TC molecules, confirmed by Zeta potential measurements. Notably, the maximum adsorption capacity was 84 mg/g at pH 5, 0.01 N IS, and 25 °C. The NEs composed of bismuth oxides/HDL represent a viable alternative for removing emerging contaminants.