Materiales fotosensibilizadores de oxígeno singlete para ...
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Laboratorio de Fotoquímica AplicadaUCM
El desafío de la provisión de agua potable:tecnologías para la región latinoamericana.
Puerto Iguazú17-19 octubre 2005
Dr. David García FresnadilloSOLARSAFEWATER
Materiales fotosensibilizadores de oxígeno singlete para la desinfección de aguas.
D. García Fresnadillo, F. Manjón Navarro, G. Orellana.
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April 3, 2000• Un 15% de la población
mundial tiene problemas de abastecimiento de agua
• Las necesidades medias de agua por persona son 49 L por día (agua sanitaria, para beber y cocinar)
• Un ciudadano medio de EE.UU. usa 269 L/día; el promedio para un habitante africano es 6 L/día
• Más de 109 personas no tienen acceso a suficiente agua potable.
(Fuente: The Scientist,10 Mayo, 2004)
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La problemática del agua:
atlas mundial de desertificación
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La problemática del agua:
crecimiento de la población mundial
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La problemática del agua:
concentración del problema del agua a nivel mundial
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La problemática del agua:
atlas mundial de radiación solar
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La problemática del agua:
Coste medio del agua urbana en España: 1.1 €/m3 en 2003.
Este coste se triplica al aplicar las directivas 2000/60 (sostenibilidad) y 140/2003 (potabilidad) de la UE sobre los recursos hídricos.
Coste del agua urbana (€/m3) en 2002.
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ANEXO I.Parámetros y valores paramétricos.
A. Parámetros microbiológicos.
0 UFC en 100 ml3. Clostridium perfringens (incluidas las esporas)
0 UFC en 100 ml2. Enterococo
0 UFC en 100 ml1. Escherichia coli
Valor paramétricoParámetro
Directiva 140/2003 de la UE:
Artículo 5. Criterios de calidad del agua de consumo humano.
El agua de consumo humano deberá ser salubre y limpia.
A efectos de esta normativa, un agua de consumo humano será salubre y limpia cuando no contenga ningún tipo de microorganismo, parásito o sustancia, en una cantidad o concentración que pueda suponer un riesgo para la salud humana, y cumpla con los requisitos especificados en el anexo I.
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Nuevas tecnologías para la provisión de agua potable:
Desinfección de aguas mediante la producción de oxígeno singlete ( 1O2 ),fotogenerado con complejos de rutenio(II) soportados en polímeros:
• 1O2 se genera in situ.• no requiere la adición de aditivos/reactivos químicos agresivos.• se consume en poco tiempo en el medio donde se produce.• no contaminante.• ausencia de riesgos para los operarios y el medioambiente.• permite el uso de luz solar ⇒ ahorro energético.
economía – seguridad – respeto al medioambiente – autonomía
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Propiedades físico-químicas del 1O2:• Electrófilo.• Muy reactivo vs: – C=C –, aminoácidos y nucleobases.• Tiempo de vida ~ μs.• Se genera fácilmente por fotosensibilización.
0
94.2
E/kJ mol–1
Estado EXCITADO singleteOXÍGENO SINGLETE 1O2
Estado FUNDAMENTAL triplete O2
¿Por qué oxígeno singlete?
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Detección - cuantificación del oxígeno singlete.
-0.3
t (μs)0 50 100 150 200
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.00.30.7
λ (nm)1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
Flash photolysisλem= 1270 nmτ1 = 0.87μsτ2 = 34.4μs
Volts
(a) (b)
Detección de la luminiscencia del 1O2 en el NIR
[RuL3] + hν [RuL3]*
[RuL3] + 1O2[RuL3]* + O2
1O2 +
N
N
HN
N
H
O O
N
N
H
O O+
N
NO
Oxidation products
Atrapamiento del 1O2
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¿Por qué complejos de rutenio(II)?
VENTAJAS:• Intensa absorción de luz Vis (400 – 550 nm, 104 < ε < 5 × 104 M–1 cm–1).• ΦISC ~ 1.• Energía del estado excitado ~ 200 kJ mol–1.• Largo tiempo de vida del estado excitado (10–7 < τT < 6 × 10–6 s).• ΦΔ moderado/alto, en función del medio (0.2 < ΦΔ < 1).• Alta estabilidad térmica y fotoquímica.• Fácil inmovilización en distintos polímeros.• Selección “a medida” de las propiedades.
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Producción eficiente de 1O2 por complejos de rutenio(II).
fΔT ~ 0.5 – 1 dependiendo del tipo de disolvente.
ΦΔ ~ 0.2 – 1. ΦΔ = ΦISC × Po2T × fΔ
T
D. García-Fresnadillo et al.- Helv. Chim. Acta, 1996, 79, 1222-1238.- J. Phys. Chem. A, 2003, 107, 3397-3403.
kq ~ 3 × 109 M–1 s–1 control difusional. I0/I = τ0/τ = 1+kq × τ0 × [O2]
Po2T ~ 50 – 100%. Po2
T = 1 – τ /τ0
Desactivación eficiente del estado excitado del complejo de rutenio(II) por el O2.
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¿Qué tipo de soportes poliméricos?
Requisitos:1. Compatibilidad con el sensibilizador:
- Inmovilización robusta.- Sin lavado al medio acuoso.
2. Materiales porosos.
3. Robustez mecánica y estabilidad frente a la irradiación solar.
4. Buena permeabilidad al oxígeno (solubilidad y difusión).
5. Baja desactivación del 1O2 fotogenerado.
6. Biocompatibilidad (buena interacción microorganismo-polímero).
7. Accesibilidad comercial y bajo coste.
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Silicona porosa:elastómero hidrófobo[RuL3]2+ por adsorcióntranslúcidopermeabilidad al oxígeno muy elevada
Polímeros catiónicos (derivados de Nylon, PVDF y celulosa):hidrófilos, intercambiadores de anionesinmovilización de [RuL3]4– por interacción electrostáticaopacospermeabilidad al oxígeno baja
Nuevos materiales fotosensibilizadores para la desinfección de agua. SELECCIÓN DE POLÍMEROS.
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Fibras artificiales (Ahlstrom)grado G1grado CG1grado NW10grado SiNW10con recubrimiento de Surfasil™con recubrimiento de silicona (grosor 25 – 175 mm)
inmovilización de [RuL3]2+ por adsorciónopacosbaja permeabilidad al oxígeno
Nuevos materiales fotosensibilizadores para la desinfección de agua. SELECCIÓN DE POLÍMEROS.
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320.812.6 × 1092.41.49 ± 0.033 mg/g 0.01 g/cm3
RDP2+pSil
330.366.0 × 1090.263.10 ± 0.2713 mg/g0.06 g/cm3
RBN2+pSil
4 - 40< 0.253.3 × 1083.01.80 ± 0.239-19 mg/g0.43 g/m2
RDP2+SiNW10
4.20.513.7 × 1084.22.40 ± 0.0110 mg/g0.40 g/m2
RSD4–Ny+
3.40.273.6 × 1084.02.00 ± 0.0630 mg/g0.61 g/m2
RSD4–Cel+
τΔ / μsPo2Tkq / M–1s–1τM0 / μslog(R0/R)CargaSens.Polímero
Caracterización fotoquímica de los materiales sensibilizadores.
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1 μm
Escherichia coliEnterococcus faecalis
(Streptococcus faecalis)
CECT 4624ATCC 23631 (BSL 1)
DSMZ 5210
CECT 5143ATCC 11700 (BSL 2)
DSMZ 20409
Gram– +
Ensayos piloto de desinfección de aguas.
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1 cm
VS = VR = 9 mL
SRreservorios
lámpara de Xe(150 W)E = 18 W m–2
(350-700 nm)
filtros IR (water) andUV (cut off 373 nm)
tubos de silicona
bomba peristaltica (15 mL/h)
Ensayos piloto de desinfección de aguas.
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C = Control (estático, en la oscuridad); R = Referencia; S = Muestra
E. coli
0 3h 6hS
RC
0
1000
2000
3000
4000
0 3h 6hS
RC
0
1000
2000
3000
E. faecalis
Velocidad de desinfección con 1O2 ≈ 103 bacterias h-1 (≈ 105 bacterias h-1 L-1)
Ensayos piloto de desinfección de aguas.
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Support: — — Ny+ Cel+ pSil pSil pSil
Photosensitiser: RDP2+ RSD4– RSD4– RSD4– RBN2+ RDP2+ RDP2+
Bacteria: D. R. D. R. E. faecalis E. faecalis E.coli E.coli E. faecalis
— — YES YES YES YES YESRETENTIONOF BACTERIA R > S R ≈ S n.d. R ≈ S R ≈ S
YES NO NO YES NO YES YESDISINFECTION(2 h) (2 h) (4 h) (4 h) (6 h) (6 h) (21 h)
Ru LEACHING — — YES YES NO NO NO
Ensayos piloto de desinfección de aguas.
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Ensayos piloto de desinfección de aguas.
Soporte: pSil pSil pSil pSilc pSilc
Sensibilizador: RBN2+ RDP2+ RDP2+ RDP2+ RDP2+
Bacteria: E. coli E. coli E. faecalis E. coli E. faecalis
SÍ SÍ SÍ NO NORETENCIÓNBACTERIANA n.d. R ≈ S R ≈ S
NO SÍ SÍ SÍ SÍ
(6 h) (6 h) (21 h) (3 h) (8 h)
⎯ 1.1 × 105 n.d. 1.1 × 105 0.7× 105
LAVADO SENS NO NO NO NO NO
DESINFECCIÓN
CFU h–1 L–1
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Preparación a gran escala del material sensibilizador elegido.
G. Orellana, M.E. Jiménez, D. García-Fresnadillo., Span. Pat. 2 226 576.
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(colector coaxial)
Ensayos de desinfección solar de aguas con pre-prototipos.
Configuraciones: coaxial aletas
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Ensayos de desinfección solar de aguas con pre-prototipos.
Condiciones experimentales:
Agua mineral (Aquaviva).
10 L (coaxial).
17 L (aletas).
Flujo: 2.0 L min–1.
4-5 tubos ocupados con material fotosensibilizador (RDP2+/pSil, 2 g m–2).
Bacterias: - Enterococcus faecalis (Gram +)
- Escherichia coli (Gram –)
Evaluación de la desinfección mediante conteo de colonias
en placas de agar.
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Resultados con E. coli,modelo coaxial vs. aletas:
Ensayos de desinfección solar de aguas con pre-prototipos.
Q(360 - 700 nm) /MJ m-2 L-1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
% S
urvi
val
0.1
1
10
100
1000
Q(360 - 700 nm)/MJ m-2 L-1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
% S
urvi
val
0.1
1
10
100
1000
En todos los ensayos se observó recrecimiento bacteriano tras 24-48 h
C0: 104 CFU/mLC0: 102 CFU/mL
Reactor tipo aletas con p-Sil y RDP2+
Reactor coaxial con p-Sil y RDP2+
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Q (360 - 700 nm)/MJ m-2 L-1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
% S
urvi
val
0.01
0.1
1
10
100
1000
Q (360 - 700 nm) / MJ m-2 L-1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
% S
urvi
val
0.1
1
10
100
1000
C0: 102 CFU/mL C0: 104 CFU/mL
Resultados con E. faecalis, modelo coaxial vs. aletas:
En todos los ensayos se observó recrecimiento bacteriano tras 24-48 h
Ensayos de desinfección solar de aguas con pre-prototipos.
Reactor tipo aletas con p-Sil y RDP2+
Reactor coaxial con p-Sil y RDP2+
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Laboratorio de Fotoquímica AplicadaUCM
El desafío de la provisión de agua potable:tecnologías para la región latinoamericana.
Puerto Iguazú17-19 octubre 2005
Dr. David García FresnadilloSOLARSAFEWATER
CONCLUSIONES.
• Se ha demostrado la viabilidad de la desinfección de
aguas mediante la fotogeneración de 1O2 con complejos
de Ru(II) y luz solar.
• Se ha encontrado que el mejor material de los
ensayados es RDP2+/pSil.
• La desinfección es más eficiente en el prototipo con
soporte de aletas.
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Nuevos materiales fotosensibilizadores para la desinfección de agua.
2ª generación de complejos heterolépticos, [RuL2L’].
N N
HN COR
N N
HN COAr
R = alifático oalquil sustituido
Ar = arilo oaril sustituido
Síntesis de complejos de Ru(II) con ligandos DP, SD y L’ (unión covalente).
L’
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SUPPORT Ru(II) COMPLEX COVALENT BOND
CPG NH2
[Ru(s2d)3]4- SHN
O
O
√
Si NH2
[Ru(s2d)3]4- SHN
O
O
√
CPG NH2
[Ru(phen)2(5-GLAp)]2+ CO
HN
√
Si NH2
[Ru(phen)2(5-GLAp)]2+ CO
HN
√
CPG SH
[Ru(phen)2(5-IAp)]2+ CH2C
S
O √
Si SH
[Ru(phen)2(5-IAp)]2+ CH2C
S
O √
SUPPORT Ru(II) COMPLEX COVALENTBOND
PSO
O
O
[Ru(phen)2(5-Ap)]2+ CO
NH
√
SiO
O
O
[Ru(phen)2(5-Ap)]2+ CO
NH
√
PSO
O
O
[Ru(phen)2(5-NGAp)]2+ CO
NH
SiO
O
O
[Ru(phen)2(5-NGAp)]2+ CO
NH
P. Ramiro, D. García-Fresnadillo, G. Orellana Tetrahedron, 2005, 61, 9478
Nuevos materiales sensibilizadores para desinfección de agua.
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AGRADECIMIENTOS.Dr. M. E. Jiménez-HernándezDr. P. RamiroDr. D. E. Wetzler
Lda. Laura VillénLda. M. L. ContrerasLdo. O. SecoIng. F. Méndez
Téc. Y. Almonacid
Prof. M. NavarroLdo. J. B. NavalónLda. A. Hergueta
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AGRADECIMIENTOS.- Unión Europea, proyectos Solwater y Aquacat (V FP-INCO ICA4-CT-2002-10001 e ICA3-CT-2002-10028).
- Ministerio de Ciencia y Tecnología (PPQ2000-0778-C02-01, BQU2002-04515-CO2).
- Comunidad de Madrid (07M0082000).
- Carburos Metálicos-Air Products.
http://www.psa.es/webeng/solwater/index.html