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• Sheccid Camila Aguilar Correa

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Diseño de un generador eléctrico fotocatalítico y purificador de agua portátil.

Por: Aguilar C, Sheccid C; Puentes A, Óscar S; Rodríguez R, Manuel A; Rodríguez S, Juan C; Suarez B, Natalia.

Propuesta de proyecto.

Prof. Cristian Camilo Rodríguez Páez.

Taller 1.

Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Química. Bogotá, 2019.

Contenido. Tabla de figuras.

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1. Planteamiento del problema.

3

2. Justificación.

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3. Objetivos 3.1. Objetivo general

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3.2. Objetivos específicos

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4. Marco referencial

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5. Diseño y metodología preliminar

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6. Recursos disponibles

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7. Cronograma

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Bibliografía

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Tabla de figuras.

Figura

Descripción y referencia

Página

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Radiación solar global horizontal media diaria. Tomado de: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html

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Esquema de las bandas de conducción, valencia y prohibida en materiales conductores, semiconductores y aislantes. Tomado de: https://thetuzaro.files.wordpress.com/2012/02/figura-41.jpg

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3

Proceso de Fotocatálisis. Tomado de: https://archive.googlesciencefair.com/projects/es/2014/77b0af7 d78199d72bb8b7b077459fcc0c443cabde6ec353188e8c08dd5 51cb83&sa=D&ust=1550244566745000&usg=AFQjCNGJ3Bo VCLqiiV3B54danY4T_NSYxw

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4

Evolución de la reacción de H2 en presencia de agentes reductores​.Tomado de: https://lh6.googleusercontent.com/-aac_h2YkH3I/U0aEpOxbXz I/AAAAAAAAACg/NPHwZWuukn8/w900/mechanism+3.png

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5

Estructura tridimensional del dióxido de titanio ​(TiO​2 )​​ . ​Tomado de: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5d/R utile-unit-cell-3D-balls.png/800px-Rutile-unit-cell-3D-balls.png& sa=D&ust=1550244566743000&usg=AFQjCNEYnR0PPvDNiY mh8DaOYOdLmN2Gqw

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6

Mecanismo de la celda de combustible de Hidrógeno ​(H​2 ​)​. Tomado de: http://hrudnick.sitios.ing.uc.cl/alumno12/almacena/Celdas_Hidr ogeno.html&sa=D&ust=1550244566726000&usg=AFQjCNGer XjJ855iR--xJrv-YzBcrYOCfA

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Esquema de equipo portátil. Fuente: propia.

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Tabla de balance de costos generales. Fuente: propia.

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2

1. Planteamiento del problema. En colombia, existen diversas regiones donde no hay acceso a fuentes de agua potable. Para el 2015, se igualaba el porcentaje mundial de acceso a agua potable, aunque este era inferior al presentado por América Latina y el Caribe (91% el mundial, 95% América Latina). Donde el área rural es la zona más afectada, la cual en 2015 solo contaba con el 74% de acceso a este servicio. Paralelamente, el abastecimiento de energía eléctrica no cubre la totalidad del país. De acuerdo a la Unidad de Planeación Minero-Energética (UPME), en Colombia, 470.000 viviendas no tienen acceso al servicio eléctrico. Estas problemáticas, disminuyen la calidad de vida de las personas. La OMS reconoce que consumir agua no potable es un factor de alta incidencia en la transmisión y permanencia de enfermedades, especialmente diarrea.en Colombia, se mantiene constante vigilancia de enfermedades como hepatitis A, enfermedad diarreica aguda, fiebre tifoidea y cólera. Todas estas se relacionan directamente con el uso de agua no potable. Las regiones más vulnerables ante estos padecimientos son: Antioquia, Chocó, Valle del Cauca y Putumayo. En estos lugares se presenta una mayor morbilidad de niños menores de 5 años. Por su parte, el acceso a energía eléctrica permite el desarrollo de una comunidad moderna. La energía eléctrica facilita el acceso a otros servicio tales como: salud, educación, telecomunicación, entre otros. Regiones sin este servicio tienden a presentar un menor avance económico. En Colombia, existen departamentos cuya cobertura es inferior al 50%, siendos estos Vichada y Putumayo. Ambos factores, acceso a agua potable y electricidad, se miden como parámetros del índice de pobreza multidimensional. Este, en Colombia representó un 17% para 2017, reduciéndose en un 0,8% en comparación al año previo. Es decir, 255000 personas salieron de la pobreza multidimensional. Este índice es superior en el sector rural, donde, para 2017, representó el 36,6% de la población. No obstante, la reducción constante de este índice se da en factores como analfabetismo, rendimiento escolar y hacinamiento crítico. Actualmente, el estado invierte en el Plan Nacional de Agua Potable (PNAP) con el fin de ampliar la cobertura de este servicio en el país. Dentro de este, se contempla diversas soluciones para llevar el servicio a sectores alejados, vulnerables y en crisis. Por otra parte, la UPME realiza anualmente proyecciones de la demanda energética del país, en las cuales se resalta un crecimiento contínuo de la demanda en el sector doméstico mientras aparece una reducción de los grandes consumidores especiales. En adición, se plantea un “Plan de expansión de referencia generación-transmisión”, planteado, en su versión más reciente, del 2017 al 2030. 3

2. Justificación. El presente proyecto ofrece una alternativa para la solución de dos problemas: el abastecimiento de agua potable y el abastecimiento de energía eléctrica. Mediante este proyecto se plantea la mejora de la calidad de vida de diversas regiones de Colombia donde cualquiera de los dos servicios, o ambos, no se presentan. El hecho de que Colombia se encuentre en el eje ecuatorial y tenga una serie de características climáticas privilegiadas, como temperatura constante a lo largo del año, le otorga gran cantidad de radiación solar, necesaria para el funcionamiento del artefacto. El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales junto a la Unidad de Planeación Minero Energética desarrollaron un documento de referencia esquematizado detallando la radiación solar que llega al suelo en diferentes regiones del país. El potencial de energía solar en general para Colombia es 4.5 kWh/m​2​/día y el área con un recurso solar mayor es la Península de la Guajira, con 6 kWh/m​2​/día de radiación, superando el promedio mundial de 3.9 kW h/m​2​/día. Como se ilustra en la gráfica.

FIGURA N°1​. Radiación global horizontal media diaria

Consecuentemente, se logrará una mejora en la salud de los pobladores de dichas regiones gracias al acceso de agua apta para el uso y consumo humano. Se reducirá a la vez la morbilidad de niños menores de 5 años, y se podrá contar con un mejor servicio de salud gracias al aprovechamiento de la electricidad producida. Será posible el acceso a nuevos servicios tales como telecomunicaciones, mejor educación, alumbrado eléctrico,etc. Así como también se promoverá el crecimiento económico de estas regiones. La versatilidad y bajo costo del proyecto hace de este una opción viable como solución a las problemáticas, a tal punto de poder ponerse a consideración para incluirse en planes como el PNAP o los planes de la UPME. 4

Representando así un proyecto válido para su observación por parte de las autoridades pertinentes al tema.

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3. Objetivos

3.1. Objetivo general ● Diseñar un equipo portátil que genere agua potable y energía a poblaciones colombianas con carencia de estos servicios. 3.2. Objetivos específicos ● Investigar sobre el debido funcionamiento, según la teoría, para el equipo. ● Diseñar la sección funcional con energía solar y reacciones fotovoltaicas. ● Diseñar un filtro que disminuya la turbidez del agua tratada. ● Realizar un balance de costos del equipo, con el fin de optimizar la relación eficiencia versus costo.

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4. Marco referencial Para entender a profundidad el funcionamiento del equipo se hace necesario revisar algunos conceptos que son fundamentales en el desarrollo del mismo. La fotocatálisis es una reacción catalítica que involucra absorción de luz solar (UV) por parte de un catalizador. Es la aceleración de una fotorreacción en presencia de un catalizador. Durante la catálisis fotogenerada, la actividad fotocatalítica (PCA) depende de la capacidad catalítica de crear pares electrón-hueco, que generan radicales libres usualmente de hidroxilo (se usa el símbolo “ • OH “) capaces de sufrir reacciones secundarias. Es por esto que los semiconductores son ideales para este tipo de reacciones, ya que sus electrones pueden saltar de una banda a otra pero a su vez poseen cierto impedimento que favorece las reacciones.

FIGURA N°2.​ Esquema de las bandas de conducción, valencia y prohibida en materiales conductores, semiconductores y aislantes.

Cuando un semiconductor, como lo es el titanio, está en contacto con un electrolito conteniendo un par redox, se genera un potencial al transferirse cargas a través de la fases sólido/líquido. Este potencial genera un campo eléctrico en la superficie del semiconductor y las bandas se curvan desde el interior hasta la superficie del semiconductor, cuando un fotón de energía suficiente es absorbido las bandas adquieren las condiciones necesarias para separar las cargas del par e− /h+ . T iO2 + hv → T iO2 + e− + h+ Reacción 1 En la superficie del TiO2, los huecos reaccionan tanto con H2O como con grupos OH- para formar radicales hidroxilo (OHº). h+ + H 2 O → HO• + H + Reacción 2 7

+

−

h + OH → HO • Reacción 3 Por su parte, los electrones en exceso de la banda de conducción reaccionan con el oxígeno molecular para formar radicales superóxido y peróxido de hidrógeno. e− + H 2 → O2 • Reacción 4 +

O2 + 2H + 2e− → Reacción 5

H 2 O2

Tanto el radical superóxido como el peróxido de hidrógeno generan más radicales hidroxilos mediante las siguientes reacciones: O2 • + 2H 2 O

−

→ 2HO • + 2OH + O2 Reacción 6

H 2 O2 + O2 • → OH − + HO • Reacción 7 −

H 2 O2 + e− → OH + HO • Reacción 8 Finalmente, el radical hidroxilo HO​• generado, provoca la completa mineralización de muchas sustancias orgánicas. Dependiendo del equilibrio de adsorción/deserción para cierto contaminante, la oxidación fotocatalítica de un sustrato orgánico adsorbido podría incidir en la eficiencia de su degradación oxidativa. T iO2 (h+ ) + (RX)ads → T iO2 + 8 (XR+ •)

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Reacción 9 El descubrimiento de la electrólisis del agua se dio por medio del dióxido de titanio (TiO​2 ), hace treinta y cinco años, por Akira Fujishima. ​ Comercialmente se llama “Proceso de oxidación avanzada” (AOP). Durante el proceso fotocatalítico ocurren reacciones de oxidación y reducción, por lo que este se puede aplicar a la oxidación de compuestos orgánicos, reducción de iones inorgánicos y a la reducción de otros compuestos orgánicos.

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FIGURA N°3.​ Proceso de Fotocatálisis.

Este proceso fotocatalítico (UV /TiO​2​) ha demostrado una casi total mineralización de los componentes contaminantes del agua, la eliminación del contaminante orgánico se reporta por diversos autores como excelente: casi el 90% del compuesto orgánico se descompondrá después de 2 horas en promedio general. Durante la fotocatálisis se lleva a cabo la ​esterilización ultravioleta la cual consiste en la destrucción de toda vida microbiana por medio de radiación ultravioleta (UV), durante este proceso no solo el agua se purifica y se esteriliza, sino que el hidrógeno también se produce a través de la división en agua, que se puede usar para generar electricidad. Además, los residuos generados son dióxido de carbono y agua.

FIGURA N°4.​ Evolución de la reacción de H2 en presencia de agentes reductores.

Otra parte crucial para el funcionamiento del equipo es el catalizador que en este caso es la titania o ​dióxido de titanio (TiO​2 )​ el cual es un anfótero inorgánico, es decir, una sustancia capaz de donar o aceptar protones de una forma químicamente muy estable . Este fue catalogado como un excelente 9

fotocatalizador por su eficiencia para acelerar las reacciones provocadas por la luz (UV), esto se debe a que es capaz de absorber la luz ultravioleta manteniendo su color blanco pese a esta exposición; además de ser el noveno elemento más común en la tierra es económico ya que en condiciones normales generalmente reacciona con oxígeno para formar óxidos de titanio que se encuentran en minerales y polvos lo cual lo hace una sustancia asequible y flexible a diversos usos en la industria, en este caso la mejor opción para el funcionamiento viable del equipo portátil.

FIGURA N°5​. Estructura tridimensional del dióxido de titanio ​(TiO​2 ​)​.

Uno de los posibles obstáculos en el proceso de las reacciones químicas es la recombinación del par electrón-hueco, es decir, cuando los electrones se desplazan a una menor energía saltando de una banda a otra. ​En este proceso, un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción regresa a un estado vacío en la banda de valencia, el cual es el hueco (h​+​). Por este motivo, prevenirlo ha sido objeto de estudio en el campo. Uno de estos métodos ha sido el dopaje de titanio con metales nobles; la adición de un agente reductor u oxidante ha sido un excelente acercamiento también. Cuando la fotocatálisis ocurre en una solución acuosa incluyendo un reductor (donantes de electrones), los huecos fotoinducidos oxidan irreversiblemente al reductor en vez del agua, incrementando así la producción de hidrógeno. El metanol, glicerol y EDTA son unos de los contaminantes orgánicos más comunes que funcionan como excelentes reductores; mientras aumentan la producción de hidrógeno son descompuestos.

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5. Diseño y metodología preliminar

El proceso completo que se da durante las reacciones redox fotocatalíticas inicia cuando la Titania absorbe la energía ultravioleta (UV – Energía solar), debido a esto se produce una fotoexcitación del electrón y se produce un par de electrón-hueco. El electrón excitado reduce el oxígeno, el cual a su vez forma un anión superóxido (​•​O​2 -​​ ); finalmente este reacciona con el agua produciendo radicales hidroxilo (​• OH ). Estos radicales, resultantes del proceso, oxidan los compuestos orgánicos inmersos en el agua para así lograr su purificación; tras este proceso el compuesto orgánico se descompone en CO​2 y en H​2​O este primero se espera en cantidades inofensivas para el medio ambiente. La división de agua fotocatalítica con titanio fue descubierta por primera vez por Akira Fujishima, esto se debe a que los electrones y los agujeros fotoinducidos generan reacciones redox de forma similar a la electrólisis del agua ya conocida, así los electrones reducen las moléculas de agua para la formación de hidrógeno, ya que la mayor parte del oxígeno es consumido en reacciones secundarias así el producto predominante es el hidrógeno que será redirigido al generador eléctrico posteriormente. La pila de combustible que funciona con el hidrógeno generado del proceso anterior consta de un ánodo donde pasará el hidrógeno y un cátodo donde de forma similar pasará el oxígeno, ambos separados por una membrana. El H​2 es transformado en electrones e iones de hidrógeno, son estos electrones libres los que viajan por medio de un cable para crear la corriente eléctrica, por otro lado, los iones de hidrógeno se mueven a través de la membrana del electrolito situándose en el cátodo donde reaccionan posteriormente con el oxígeno y los electrones alojados allí formando así agua.

FIGURA N°6​. Mecanismo de la celda de combustible de Hidrógeno ​(H​2 )​​ .

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Durante el diseño del prototipo es necesario resaltar que el principal objetivo es crear ​un equipo portátil que permita purificar aguas residuales mediante luz solar (UV) y producir energía eléctrica como subproceso de la hidrólisis del agua, todo esto de forma sostenible y económica, teniendo en cuenta como principales usuarios previstos las poblaciones colombianas que carecen de estos recursos de primera necesidad es por esto que a diferencia de varias ideas similares se busca el no uso de paneles solares como fuente de energía externa ya que estos son de alto costo y poco versátiles para su transporte entre comunidades así es como se toma la fotocatálisis como principal medio de funcionamiento para este equipo siendo esta la mejor opción tanto en versatilidad de transporte y economía. El equipo estará compuesto por dos grandes partes: la parte superior contiene el tanque de almacenamiento del agua, una semiesfera, cubierta de una tapa de acrílico asegurada con tornillos, que además posee un borde de silicona que evitará que el hidrógeno salga de la cámara. Dentro de este tanque se encontrará una malla cubierta de nano titanio que permita una mayor superficie de contacto entre los reactivos. Se debe esperar unos minutos a que las reacciones inicien para abrir la válvula que permite el paso del agua a la parte inferior del equipo. También, cuando suficiente tiempo haya transcurrido se debe abrir el paso de hidrógeno a la pila para permitir la generación de energía. La parte inferior consiste del filtro por gravedad, compuesto de 4 capas: zeolita, carbón activado, resina mixta y arena. para permitir una mayor limpieza del agua; y del grifo de salida donde el agua potable se recogerá. Aunque las reacciones fotocatalíticas cumplen su función de purificar el agua; se añadió el filtro para asegurar la potabilidad del agua resultante.

FIGURA N°7​. Esquema del equipo portátil.

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6. Recursos disponibles El elemento principal de este equipo es el fotocatalizador de dióxido de titanio ​(TiO2​ )​ .​ Se escogió este material ya que es abundante, no es costoso y según la literatura otros experimentos realizados con esta sustancia logran buenos resultados. Sin embargo, nuestro equipo tiene que estar herméticamente sellado por lo que en las uniones se usará una silicona permitiendo que el hidrógeno gaseoso producido se dirija al generador de electricidad, adicionalmente se usarán tornillos para asegurar y mantener juntos la tapa y el contenedor de agua. Se usará zeolita, carbón activado, resina mixta y arena para construir el filtro, afortunadamente estos materiales no son costosos y de fácil accesibilidad. Además, debe evaluarse la cantidad de electricidad generada contra el precio de este generador eléctrico y analizar si es económicamente viable este último en nuestro equipo.

Fig. 8​ - Tabla de balance de costos generales.

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7. Cronograma 1. Planteamiento del problema. (1 día) 2. Plantear una idea para la posible resolución del problema. (3 días) 3. Diseñar la parte más importante del equipo donde se realiza la fotocatálisis con dióxido de titanio y al mismo tiempo se produce hidrógeno gaseoso usado en la producción de energía eléctrica. (1 semana) 4. Diseñar un filtro que disminuya la turbidez del agua y remueva sustancias químicas presentes en ella. El filtro puede ser construido con diferentes materiales tales como arena, carbón activado o zeolita. (4 días) 5. Diseñar o costear un equipo que genere electricidad a partir de hidrógeno gaseoso producido en la fotocatálisis. (1 semana) 6. Ensamblar las partes mencionadas en los numerales 3,4 y 5. (2 días) 7. Evaluar la calidad del agua generada en el equipo para lo cual se tendrán en cuenta parámetros como concentración microbiana, presencia de sustancias químicas, pH y propiedades organolépticas. ( 2 días) 8. Evaluar la eficiencia de la celda de hidrógeno midiendo la cantidad de electricidad generada. ( 1 día) 9. Evaluar los resultados obtenidos en los pasos 7 y 8. Si estos son los esperados seguir con el siguiente paso, de lo contrario evaluar posibles errores en el diseño o ingeniar una forma de optimizarlo, después volver a evaluar los parámetros de diseño y analizar los resultados. (3 días) 10. Realizar un balance de costos del equipo creado y evaluar si hay alguna forma de disminuirlos. (1 día) Tiempo aproximado de duración del proyecto tres semanas.

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Bibliografía

1. ¿Cuánta gente pobre hay?. (2018). Retomado de: http://www.atd-cuartomundo.org/quienes-somos/preguntas-frecuentes/cu anta-gente-pobre-hay/ 2. A. C. Quintero Agudelo, C. A. Vargas Terranova y J. P. Sanabria Alcantar, “Evaluación de un sistema de fotocatálisis heterogénea y pasteurización para desinfección de aguas lluvias,” ​Ciencia e Ingeniería Neogranadina​, vol. 28, no. 1, pp. 117-134. DOI: http://dx.doi.org/10.18359/rcin.2350 3. L. F Garcés Giraldo, E. A Mejía Franco, J. J Santamaría Arango. ​La fotocatálisis como alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Retomado de: ​http://www.redalyc.org/html/695/69511013/ 4. Ungría,A.(2016). ​Regeneración de aguas depuradas mediante fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio: Análisis de variables influyentes(​ Tesis de pregrado) Escuela de Ingeniería y Arquitectura, Zaragoza, España. 5. Ministerio de salud. (2016). ​Propuesta para el Diseño Conceptual, Metodológico e Instrumental del Programa Nacional de Agua Potable (PNAP) Convenio 519 del 2015​ (pp. 86-168). Bogotá. 6. Castro, S. (2014). ​Política para el suministro de agua potable y saneamiento básico en la zona rural (conpes 3810 de 2014).​ Presentation, Bogotá. 7. Unidad de Planeación Minero-Energética. (2018). ​Informe mensual de variables de generación y del mercado eléctrico colombiano –marzo de 2018 subdirección de energía eléctrica – grupo de generación​ (pp. 1-16). Bogotá. 8. Unidad de Planeación Minero-Energética. (2018). ​Proyección de la demanda de energía eléctrica y potencia máxima en colombia​ (pp. 1-52). Bogotá. 9. IDEAM. (2018). ​Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia​ [Image]. Retomado de: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html 10. Rodríguez, D. y Rodríguez, L. (2018). Photovoltaic energy in Colombia: Current status, inventory, policies and future prospects.​ Renewable and Sustainable Energy Reviews, 92,​ 160-170. 15

11. Blake, D. (1997). Bibliography of Work on Photocatalytic Removal of Hazardous Compounds from Water and Air. National Renewable Energy Laboratory: Golden Co. 12. Blesa, M.: Introducción. En M. Blesa (Ed.), Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea (pág. xii.). Buenos aires, Argentina: CYTED. (2011). 13. Lam, C. (2014). Portable photocatalytic electricity generation and water purification unit. Retrieved from https://archive.googlesciencefair.com/projects/es/2014/77b0af7d78199d7 2bb8b7b077459fcc0c443cabde6ec353188e8c08dd551cb83 14. Friedmann, D., Mendive, C., Bahnemann, D.: TiO2 for water treatment: Parameters affecting the kinetics and mechanisms of photocatalysis. Applied Catalysis B: Environmental, 99, 398–406. (2010). 15. Galindo, C., Jacques, P., Kalt, A.: Photodegradation of the aminoazobenzene acid orange 52 by three advanced oxidation processes: UV/H2O2, UV/TiO2 and VIS/TiO2: Comparative mechanistic and kinetic investigations. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 130, 35.(2000). 155 Revista Elementos - Número 3 - Junio de 2013 16. Grela, M., Loeb, B., Restrepo, G., Lagorio, M., Román, E.S.: Los mecanismos de destrucción de contaminantes orgánicos. En M. Blesa (Ed.), Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea (págs. 103-117). Buenos aires, Argentina: CYTED. (2011). 17. Guo, M., Ng, A., Liu, F., Djurisic, A., Chan, W.: Photocatalytic activity of metal oxides – The role of holes and OH* radicals. Applied Catalysis B: Environmental, 107, 150–157. (2011). 18. H. Lachheb, E. P.: Photocatalytic degradation of various types of dyes (Alizarin S, Crocein Orange G, Methyl Red, Congo Red, Methylene Blue) in water by UV-irradiated titania. Applied Catalysis B: Environmental, 39, 75. (2002). 19. Herrmann, J.-M.: Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications to the removal of various types of aqueous pollutants. Catalysis Today, 53, 115–129. (1999). 20. Herrmann, J.-M.: Photocatalysis fundamentals revisited to avoid several misconceptions Applied Catalysis B: Environmental, 99, 461–468. (2010). 21. Houas, A., Lachheb, H., Ksibi, M., Elaloui, E., C. Guillard, J.: Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water. Applied Catalysis B: Environmental, 31, 145. (2001) 16