SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

346
Departamento de Ingeniería Química y Química Física TESIS DOCTORAL SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS SEMICONDUCTORES PARA LA ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUA MEDIANTE OZONIZACIÓN FOTOCATALÍTICA SOLAR ESTEFANÍA MENA RUBIO Conformidad de los Directores de Tesis: Fdo.: Ana Rey Barroso Fdo.: Eva M. Rodríguez Franco Badajoz, 2017

Transcript of SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Page 1: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Departamento de Ingeniería Química y Química Física 

TESIS DOCTORAL 

 

SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS 

SEMICONDUCTORES PARA LA ELIMINACIÓN                

DE CONTAMINANTES EN AGUA MEDIANTE 

OZONIZACIÓN FOTOCATALÍTICA SOLAR 

 

ESTEFANÍA MENA RUBIO 

 

Conformidad de los Directores de Tesis: 

 

 

 

Fdo.: Ana Rey Barroso      Fdo.: Eva M. Rodríguez Franco 

 

 

Badajoz, 2017 

Page 2: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A mis padres 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

  

La realización de esta Tesis Doctoral ha sido posible gracias a la concesión de 

una beca de Formación de Personal Investigador (Ref. PD12059) financiada por 

la Consejería  de  Empleo,  Empresa  e  Innovación  (Junta  de  Extremadura)  y  el 

Fondo Social Europeo,  así  como  al  apoyo  económico prestado  a  través de  los 

proyectos de investigación de la Junta de Extremadura (GRU10012 y GR15033) y 

a  través  de  los  proyectos  del  Programa  Nacional  de  Investigación 

CTQ2009/13459/C05/05, titulado “Integración de procesos de  fotocatálisis solar en  la 

depuración  biológica  de  aguas  residuales  para  la  eliminación  de  contaminantes 

emergentes”;  CTQ2012/35789/C02/01,  titulado  “Preparación  de  catalizadores  y  su 

aplicación en la eliminación de contaminantes refractarios de aguas residuales mediante 

ozonización  fotocatalítica”;  y  CTQ2015‐64944‐R  titulado  “Led  y  fotocatalizadores 

polifuncionales basados en grafeno y estructuras metal‐orgánicas para el tratamiento de 

aguas  por  ozonización  fotocatalítica”  del Ministerio  de  Economía  y  Competitividad 

(España) y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).  

 

                      

Page 6: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Llegado este momento, no puedo dar por finalizado mi trabajo sin antes 

agradecer a todas las personas que me han acompañado en esta etapa. 

Gran parte de este trabajo es vuestro. A todos, muchas gracias. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 9: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

ÍNDICE 

   

 

 

 

 

 

 

RESUMEN ………………………………………………………………………......   1 

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ……………………………..   9 

  1.1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DE LA TESIS ………………...   11 

  1.1.1. Contextualización del trabajo ...…………........................................   11 

  1.1.2. El agua en el mundo actual …..…………........................................   11 

  1.1.2.1. Marco legal del agua …..………………......................................   16 

  1.1.2.2. Conservación de los recursos hídricos …..………………............   21 

  1.1.3. Procesos avanzados de oxidación …..……….................................   25 

  1.1.3.1. Fotocatálisis heterogénea ………………......................................   26 

  1.1.3.2. Combinación de ozono y fotocatálisis heterogénea:  

  ozonización fotocatalítica …..………………............................................   30 

  1.1.4. Optimización de los procesos fotocatalíticos: empleo de 

  radiación solar y fotocatalizadores apropiados …...................................   38 

  1.2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO …………………..………...   44 

  1.3. ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA ………...……………..………...   46 

  BIBLIOGRAFÍA ………...……………..……………………………….……...   47 

Page 10: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Índice                                      

II 

 

CAPÍTULO 2: MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ……….....   61 

  2.1. INSTALACIONES Y PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES ..…..   63 

  2.1.1. Tratamientos de eliminación de contaminantes en agua ...……..   63 

  2.1.1.1. Ensayos realizados empleando lámparas de luz UVA  

  (luz negra) como fuente de radiación …..……………..............................   63 

  2.1.1.2. Ensayos realizados empleando lámparas de luz solar artificial  

  como fuente de radiación …..…………….................................................   66 

  2.1.2. Preparación de los catalizadores empleados …..………...............   68 

  2.1.2.1. Agitador ………………...............................................................   68 

  2.1.2.2. Autoclave ……………….............................................................   69 

  2.1.2.3. Centrífuga …….………...............................................................   69 

  2.1.2.4. Estufa ……..…………….............................................................   69 

  2.1.2.5. Horno mufla ……..……………...................................................   69 

  2.2. EQUIPOS Y MÉTODOS DE ANÁLISIS ……………….……..………...   70 

  2.2.1. Seguimiento de la eficacia de los tratamientos de eliminación 

  de contaminantes en agua …..………........................................................   70 

  2.2.1.1. Determinación de la concentración de contaminantes modelo 

   en agua ………………..............................................................................   72 

  2.2.1.2. Identificación de productos intermedios de degradación ..............   73 

  2.2.1.3. Determinación de la concentración de ácidos carboxílicos de 

  bajo peso molecular y aniones inorgánicos en disolución .........................   74 

  2.2.1.4. Determinación de la concentración de carbono orgánico total 

  en disolución (COT) ..................................................................................   75 

  2.2.1.5. Determinación de la concentración de ozono en disolución 

  acuosa ……………………………………………………………………   76 

  2.2.1.6. Determinación de la concentración de ozono en fase gas ……….   77 

2.2.1.7. Determinación de la concentración de peróxido de hidrógeno 

en disolución .............................................................................................   77 

  2.2.1.8. Determinación de la concentración de hierro total en 

  disolución ..................................................................................................   78 

  2.2.1.9. Determinación de la concentración de hierro (II) en disolución ..   79 

  2.2.1.10. Determinación de la intensidad de radiación ……………….....   80 

  2.2.1.11. Determinación de la concentración de formaldehído en 

  disolución ……………………………………………………………….    82 

Page 11: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Índice 

III 

 

  2.2.1.12. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) .......   83 

    2.2.1.13. Determinación de la biodegradabilidad: demanda biológica 

                    de oxígeno (DBO) .....................................................................................   83 

  2.2.1.14. Determinación de la absorbancia a 254 nm: Aromaticidad .......   84 

  2.2.1.15. Determinación de la concentración de fosfatos en disolución ....   85 

  2.2.1.16. Determinación de la turbidez ……………………………….....   85 

  2.2.1.17. Determinación de pH, conductividad y temperatura ……........   86 

  2.2.2. Caracterización de los catalizadores empleados …..……….........   86 

  2.2.2.1. Espectroscopía de emisión atómica de plasma por acoplamiento  

  inductivo (ICP‐OES) ………………........................................................   88 

  2.2.2.2. Difracción de Rayos X (XRD) .....................................................   88 

  2.2.2.3. Espectroscopía Raman ……….....................................................   90 

  2.2.2.4. Análisis termogravimétrico y térmico diferencial (TGA‐DTA) ..   91 

  2.2.2.5. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) ………..……….   92 

  2.2.2.6. Microscopía electrónica de barrido (SEM) ………….....……….   92 

  2.2.2.7. Isoterma de adsorción‐desorción de nitrógeno ………………….   93 

  2.2.2.8. Determinación del pH de potencial de carga cero (pHPZC) por 

  valoración másica ………………..............................................................   95 

  2.2.2.9. Espectroscopía fotoelectrónica de Rayos X …………..……….....   95 

  2.2.2.10. Espectroscopía ultravioleta‐visible de reflectancia difusa 

  (DR‐UV‐Vis) ……………….....................................................................   97 

  2.3. REACTIVOS EMPLEADOS ………...……………..………………..…...   98 

  BIBLIOGRAFÍA ………...……………..……………………………….……... 103 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3). PAPER 1: ON OZONE‐PHOTOCATALYSIS 

SYNERGISM IN BLACK‐LIGHT INDUCED REACTIONS: OXIDIZING 

SPECIES PRODUCTION IN PHOTOCATALYTIC OZONATION                 

VERSUS HETEROGENEOUS PHOTOCATALYSIS ........................................ 107 

  3.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 109 

  3.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 113 

  3.2.1. Experimental set‐up and oxidation/ozonation procedure ..…..... 113 

  3.2.2. Photon fluxes determination ………………………………...…..... 114 

  3.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 115 

  3.3.1. Absorbed photon flux ..…………………………………………..... 115 

Page 12: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Índice                                      

IV 

 

  3.3.2. Photocatalytic oxidation versus photocatalytic ozonation …...... 121 

  3.3.2.1. Influence of ozone concentration ………...................................... 125 

  3.3.2.2. Influence of pH …………………………………………………. 126 

  3.3.2.3. Synergistic effect and quantum yield of photocatalytic induced 

  reactions ………………………………………........................................ 129 

  3.3.2.4. Simplified economic considerations ……………………...…..… 132 

  3.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 135 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 136 

  REFERENCES ……...…...……………..……………………………….……... 136 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4). PAPER 2: INFLUENCE OF STRUCTURAL 

PROPERTIES ON THE ACTIVITY OF WO3 CATALYSTS FOR VISIBLE 

LIGHT PHOTOCATALYTIC OZONATION …................................................. 141 

  4.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 143 

  4.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 144 

  4.2.1. Catalysts preparation ………………………………………...…..... 144 

  4.2.2. Characterization ………………….…………………………...…..... 145 

  4.2.3. Catalytic activity measurements ………………..…………...…..... 146 

  4.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 148 

  4.3.1. Characterization of the photocatalysts ..………………………..... 148 

  4.3.2. Comparison of processes ………………………………………...... 154 

  4.3.2.1. Simplified mechanistic approach of IBP photocatalytic 

  ozonation ……………...………………………........................................ 160 

  4.3.3. Catalysts screening for photocatalytic ozonation under  

  visible‐light radiation …………………………………………………...... 164 

  4.3.4. Simulated solar light photocatalytic ozonation of ECs in  

  MWW ………………………...…………………………………………...... 168 

  4.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 172 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 172 

  REFERENCES ……………..……...………...………………………….……... 173 

  SUPPLEMENTARY INFORMATION OF CHAPTER 4 ………..….……... 177 

 

 

Page 13: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Índice 

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5). PAPER 3: VISIBLE LIGHT PHOTOCATALYTIC 

OZONATION OF DEET IN THE PRESENCE OF DIFFERENT FORMS OF 

WO3 ……….................................................................................................................  183 

  5.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 185 

  5.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 186 

  5.2.1. Catalysts preparation ………………………………………...…..... 186 

  5.2.2. Characterization ………………….…………………………...…..... 188 

  5.2.3. Catalytic activity measurements ………………..…………...…..... 188 

  5.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 189 

  5.3.1. Photocatalysts characterization ………..………………………..... 189 

  5.3.2. Catalytic activity ……………..…………………………………...... 195 

  5.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 202 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 202 

  REFERENCES ……………..……...………...………………………….……... 202 

  SUPPLEMENTARY INFORMATION OF CHAPTER 5 ………..….……... 205 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6). PAPER 4: NANOSTRUCTURED CeO2 AS 

CATALYSTS FOR DIFFERENT AOPs BASED IN THE APPLICATION OF 

OZONE AND SIMULATED SOLAR RADIATION..........................................  213 

  6.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 215 

  6.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 216 

  6.2.1. Catalysts preparation ………………………………………...…..... 216 

  6.2.2. Characterization ………………….…………………………...…..... 217 

  6.2.3. Catalytic activity measurements ………………..…………...…..... 217 

  6.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 219 

  6.3.1. Photocatalysts characterization ………..………………………..... 219 

  6.3.2. Catalytic activity ……………..…………………………………...... 223 

  6.3.3. Considerations on the reaction mechanism of DEET  

  photocatalytic ozonation with CeO2 catalysts and solar radiation …... 227 

  6.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 230 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 230 

  REFERENCES ………………………………………………..……..….……... 231 

Page 14: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Índice                                      

VI 

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7). PAPER 5: WO3‐TiO2 BASED CATALYSTS FOR 

THE SIMULATED SOLAR RADIATION ASSISTED PHOTOCATALYTIC 

OZONATION OF EMERGING CONTAMINANTS IN A MUNICIPAL 

WASTEWATER TREATMENT PLANT EFFLUENT …....................................  235 

  7.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 237 

  7.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 238 

  7.2.1. Catalysts preparation ………………………………………...…..... 238 

  7.2.2. Characterization ………………….…………………………...…..... 239 

  7.2.3. Catalytic activity measurements ………………..…………...…..... 240 

  7.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 243 

  7.3.1. Characterization of the photocatalysts ………..………………..... 243 

  7.3.2. Visible light response of the photocatalysts …………………...... 251 

  7.3.3. Photocatalytic degradation of ECs in MWW ………………......... 253 

  7.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 263 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 263 

  REFERENCES ………………………………………………..……..….……... 264 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8). PAPER 6: REACTION MECHANISM AND 

KINETICS OF DEET VISIBLE LIGHT ASSISTED PHOTOCATALYTIC 

OZONATION WITH WO3 CATALYST ………..................................................  269 

  8.1. INTRODUCTION …………………………………………………….….. 271 

  8.2. EXPERIMENTAL SECTION ……………..………………………….….. 272 

  8.2.1. Experiments …………………………………………………...…..... 272 

  8.2.2. Analytical methods ………...…….…………………………...…..... 274 

  8.3. RESULTS AND DISCUSSION ….………..………………………….….. 276 

  8.3.1. Comparison of processes ………..……………………...………..... 276 

  8.3.2. Determination of the main species responsible for DEET  

  degradation and mineralization ………………………..……………...... 283 

  8.3.3. Identification of TPs ……………………………………………....... 287 

  8.3.4. Proposed reaction mechanism ……………………..…………....... 294 

  8.3.5. Kinetic study ……………………………………………………....... 299 

  8.4. CONCLUSIONS ………………....………..………………………….….. 309 

  AKNOWLEDGEMENTS ………...………...………………………….……... 310 

Page 15: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Índice 

VII 

 

  REFERENCES ………………………………………………..……..….……... 310 

CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES …………………………………………….…. 315 

NOMENCLATURA …………………………………………...……………….….. 321 

NOMENCLATURE …………………………………………………………….….. 325 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 16: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 17: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

RESUMEN 

 

  

 

 

 

 

La Tesis Doctoral que  se presenta en esta memoria  se encuadra dentro del 

trabajo desarrollado por el grupo de investigación TRATAGUAS, perteneciente 

al Área de Ingeniería Química de la Universidad de Extremadura. En los últimos 

años, la actividad del grupo se ha centrado en la eliminación de contaminantes 

emergentes presentes en las aguas mediante procesos avanzados de oxidación y, 

más  recientemente,  en  la  preparación  de  catalizadores  para  su  aplicación  en 

dichos procesos. En concreto, en esta Tesis se han abordado fundamentalmente 

algunos de  los objetivos del proyecto de  investigación  titulado “Preparación de 

catalizadores y  su aplicación  en  la  eliminación de contaminantes  refractarios de aguas 

residuales mediante  ozonización  fotocatalítica”  (referencia CTQ2012/35789/C02/01), 

financiado  por  el Ministerio  de  Economía,  Industria  y  Competitividad  y  el  Fondo 

Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). 

En  el  escenario  actual donde  la disponibilidad de  agua de  calidad  se  está 

viendo  disminuida,  la  aparición  de  los  denominados  “contaminantes 

emergentes” y sus posibles riesgos tanto para la vida acuática como la humana 

ha despertado un  especial  interés. A  este grupo de  contaminantes pertenecen 

Page 18: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Resumen             

 

compuestos como fármacos, productos de higiene y cuidado personal, drogas de 

abuso, pesticidas, surfactantes o aditivos industriales, entre otros. Todos ellos se 

producen a escala mundial, tienen multitud de aplicaciones y han llegado a ser 

imprescindibles para  la sociedad moderna. Así, su introducción en el medio es 

continua, principalmente a través de la descarga de las estaciones depuradoras 

de  aguas  residuales  (EDAR),  dado  que muchos  de  estos  contaminantes  son 

refractarios a los procesos convencionales existentes. Ante esta situación, se hace 

necesaria  la  aplicación  de  un  tratamiento  terciario  adicional  que  permita 

degradar dichos compuestos antes del vertido del efluente a cauce público o de 

su reutilización. 

En  este  trabajo  se  han  seleccionado  varios  contaminantes  emergentes, 

detectados  con  frecuencia en efluentes  secundarios de EDAR, para estudiar  la 

aplicabilidad  de  procesos  avanzados  de  oxidación  (PAO)  como  tratamiento 

terciario.  Estos  procesos  se  basan  en  la  generación  de  radicales  libres, 

especialmente  radicales hidroxilo  ( •HO  ), que  son  especies  transitorias de vida 

media muy  corta  y  alto  poder  oxidante,  capaces  de  reaccionar  de  forma  no 

selectiva con un amplio grupo de contaminantes  resistentes a  los  tratamientos 

de agua convencionales. Dentro de los PAO, la presente investigación se centra 

en  la  aplicación  de  la  fotocatálisis  heterogénea  combinada  con  ozono 

(ozonización  fotocatalítica)  empleando  distintos  catalizadores  y  fuentes  de 

radiación.  Según  algunos  estudios  previos,  se  espera  que  en  este  tratamiento 

combinado aumente el rendimiento de formación de especies oxidantes respecto 

de los procesos individuales de fotocatálisis y ozonización, siendo por tanto más 

eficaz en la eliminación de contaminantes en agua. 

El punto de partida de este trabajo de Tesis ha sido  justificar la elección del 

proceso de ozonización fotocatalítica como tratamiento a aplicar. Para ello, se ha 

seleccionado  el  metanol  como  compuesto  modelo,  empleando  radiación 

ultravioleta (UVA) y TiO2 comercial (P25) como catalizador. La baja reactividad 

del  metanol  frente  al  ozono  molecular  y  su  alta  afinidad  por  las  especies 

oxidantes  generadas  en  los  procesos  fotocatalíticos  permiten  determinar  la 

Page 19: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Resumen 

 

 

existencia o no de sinergia al combinar los procesos individuales de fotocatálisis 

y ozonización, a partir del cálculo del rendimiento cuántico de los tratamientos 

fotocatalíticos. 

Para determinar dicha sinergia se siguió la evolución de la concentración de 

formaldehído,  principal  producto  de  oxidación  del  metanol,  en  ensayos  de 

fotocatálisis  y  ozonización  simple  y  fotocatalítica,  evaluando  el  efecto  de  la 

concentración de ozono y del pH. Para calcular el rendimiento cuántico de  las 

reacciones fotocatalíticas se determinó la intensidad de radiación absorbida por 

el catalizador y se tuvieron en cuenta las distintas reacciones que pueden tener 

lugar  dependiendo  del  proceso  y  las  condiciones  del medio:  reacción  directa 

ozono‐metanol, reacciones  indirectas por descomposición de ozono en especies 

radicales y reacciones fotocatalíticas. Esta última contribución es la que permite 

calcular el rendimiento cuántico de foto‐generación de especies oxidantes. A pH 

= 3  (pH al cual  se  inhiben  las  reacciones  indirectas del ozono)  la presencia de 

ozono  ejerció  un  efecto  positivo  en  la  velocidad  de  formación  de  especies 

oxidantes debido a las reacciones inducidas por la luz, incrementándose el valor 

del rendimiento cuántico con respecto al proceso de fotocatálisis. Este parámetro 

aumentó  aún más  a  pH  =  7  al  verse  favorecidas  las  reacciones  indirectas del 

ozono.  El  efecto  positivo  de  la  presencia  de  ozono  en  las  reacciones 

fotocatalíticas  se  ha  atribuido  a  su  papel  como  aceptor  de  electrones,  dando 

lugar  a  una  mayor  concentración  de  radicales  hidroxilo  en  el  medio  y 

reduciendo  en  cierta medida  el proceso de  recombinación  en  la  superficie del 

catalizador.  

Comprobada  la  mayor  eficiencia  del  proceso  fotocatalítico  cuando  se 

combina con ozono, el resto del trabajo de esta Tesis Doctoral se ha centrado en  

el empleo de  fotocatalizadores que permitan un mayor aprovechamiento de  la 

radiación solar con respecto al fotocatalizador utilizado por excelencia (TiO2), y 

la  posterior  aplicación  de  estos  materiales  en  la  eliminación  de  distintos 

contaminantes  emergentes  mediante  ozonización  fotocatalítica  solar.  De  este 

modo, se intenta paliar uno de los principales inconvenientes de esta tecnología 

Page 20: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Resumen             

 

derivado del uso de  fuentes artificiales de radiación. Todos  los ensayos se han 

realizado  a  escala  de  laboratorio,  empleando  luz  solar  simulada  y  distintos 

materiales previamente sintetizados y/o comerciales.  

Se  han  sintetizado  catalizadores  de  WO3  con  diferentes  propiedades 

estructurales, estudiando su actividad en el proceso de ozonización fotocatalítica 

solar  aplicado  a  la  eliminación  de:  i)  ibuprofeno  (IBP)  en  agua  ultrapura 

empleando radiación solar restringida a la zona del visible; y ii) una mezcla de 

10  contaminantes  emergentes  añadidos  al  efluente  de  una  EDAR  urbana, 

empleando  todo  el  espectro  de  la  radiación  solar.  Estos  catalizadores  se 

sintetizaron mediante  descomposición  térmica  de  un  precursor  de wolframio 

(tungstita, H2O∙WO3)  a  300  y  450  °C  y  diferentes  tiempos  de  calcinación.  El 

catalizador  sometido  a  descomposición  térmica  a  450  °C  durante  5 minutos 

presentó  la  estructura  monoclínica  del WO3  y  una  concentración  mayor  de 

vacantes de oxígeno que el resto de catalizadores,  lo que condujo a una mayor 

actividad  en  el proceso de  ozonización  fotocatalítica. Bajo  luz  solar visible,  la 

desaparición de ibuprofeno (CIBP,0 = 10 mg L‐1) fue completa en 20 minutos y la 

mineralización superior al 85 % tras dos horas de reacción en las condiciones de 

operación  empleadas  (pH0  =  6,5, T  =  20  ‐  40  °C, V  =  0,5 L, CWO3  =  0,25  g L‐1,                   

CO3,g = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1). Bajo radiación solar global, en  las condiciones 

anteriores  este  catalizador  permitió  la  degradación  completa  de  la mezcla  de 

contaminantes  (C0  =  0,5  mg  L‐1  cada  uno)  en  el  efluente  de  EDAR  urbana                 

(CCOT,0 = 17 mg L‐1) en 60 minutos y una mineralización del 40 % en 2 horas.  

Por otro  lado,  se ha evaluado  la  influencia de  la morfología y de nuevo  la 

estructura  del WO3  en  el  proceso  de  ozonización  fotocatalítica  bajo  luz  solar 

visible, empleando N,N‐dietil‐meta‐toluamida (DEET) como compuesto modelo 

en  agua ultrapura. Los  catalizadores de WO3  se  obtuvieron mediante  síntesis 

sol‐gel  e  hidrotermal,  procesos  que  favorecieron  el  desarrollo  de  diferentes 

formas y estructuras cristalinas.  

Los  resultados  indican  que  el  desarrollo  de  las  estructuras  cristalinas 

Page 21: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Resumen 

 

 

monoclínica y ortorrómbica del WO3  incrementa  la actividad  fotocatalítica del 

material en mayor medida que un área superficial más desarrollada. Asimismo, 

en  los  procesos  que  emplean  ozono  la  presencia  de  estados  reducidos  de W 

condujo a una mayor actividad  fotocatalítica. En  las  condiciones de operación 

estudiadas (CDEET,0 = 5 mg L‐1, pH0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, V = 0,5 L, CWO3 = 0,25 g L‐1, 

CO3,g  =  10  mg  L‐1,  Qg  =  15  L  h‐1),  los mejores  catalizadores  condujeron  a  la 

degradación  total  de  DEET  en  menos  de  20  minutos  y  una  mineralización 

superior al 70 % tras 2 horas de tratamiento. 

Otra alternativa al TiO2 fueron los catalizadores de CeO2. Se ha estudiado la 

influencia de  la morfología del material en su actividad evaluando  la misma a 

través  de  ensayos  de  degradación  de  DEET  en  agua  ultrapura  mediante 

ozonización  fotocatalítica  bajo  luz  solar  visible  y  radiación  solar  global.  Se 

prepararon  dos  catalizadores  nanoestructurados  de  CeO2  (nanocubos  y 

nanovarillas) mediante  síntesis  hidrotermal.  En  las  condiciones  de  operación 

ensayadas (CDEET,0 = 5 mg L‐1, pH0 = 6, T = 35 ‐ 40 °C, V = 0,5 L, CWO3 = 0,25 g L‐1, 

CO3,g  =  10 mg L‐1, Qg  =  15 L  h‐1),  ambos  catalizadores  resultaron  activos  en  la 

eliminación de DEET mediante  ozonización  fotocatalítica  bajo  radiación  tanto 

visible  como  solar.  Por  su  menor  energía  de  salto  de  banda  fueron  las 

nanovarillas las que presentaron una mayor actividad bajo luz visible, logrando 

la eliminación total de DEET en 45 minutos y una mineralización del 68 % tras 2 

horas de tratamiento. Por el contrario, bajo radiación solar global los nanocubos 

tuvieron un mejor rendimiento (degradación total de DEET en 30 minutos y 80 

%  de mineralización  tras  2  horas  de  reacción),  presentando  esta morfología, 

además, una mayor velocidad  específica de mineralización debido a  la mayor 

actividad de las caras cristalinas expuestas.  

Finalmente, se han preparado catalizadores compuestos de WO3‐TiO2 con un 

contenido en WO3 de aproximadamente un 4 % en peso empleando dos soportes 

de  TiO2  diferentes:  TiO2  comercial  (P25)  y  nanotubos  de  TiO2  sintetizados 

mediante  tratamiento  hidrotermal  del  catalizador  comercial.  Una  vez 

Page 22: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Resumen             

 

preparados,  los materiales han sido empleados en  la ozonización  fotocatalítica 

del  efluente de una EDAR urbana dopado  con una mezcla de  contaminantes 

bajo radiación solar global. 

El  catalizador  basado  en  nanotubos  presentó  una  porosidad  más 

desarrollada y una mayor eficiencia en el proceso de ozonización fotocatalítica. 

Así,  en  las  condiciones  de  operación  estudiadas  (C0  =  2  mg  L‐1  de  cada 

contaminante emergente, CCOT,0 = 35 mg L‐1, CCI,0 = 42 mg L‐1, pH0 = 8.3, T = 20 ‐ 40 

°C, V = 0,5 L, CNT‐WO3 = 0,5 g L‐1, CO3,g = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1), este material 

condujo a la total desaparición de los contaminantes emergentes en menos de 40 

minutos y a un grado de mineralización superior al 64 % tras 2 horas. La mayor 

actividad  fotocatalítica  del  material  compuesto  en  comparación  con  el 

catalizador  de  TiO2  puro  se  debe  a  varios  efectos  combinados  tales  como:  el 

mayor  aprovechamiento  de  la  radiación  visible;  una  mayor  capacidad  de 

adsorción de compuestos orgánicos; y una eficiente descomposición del ozono 

gracias a  la presencia de WO3, el  cual  resulta activo en  la descomposición del 

ozono en la oscuridad (ozonización catalítica). 

Tras  la  síntesis,  caracterización  y  aplicación  de  los distintos materiales,  en 

base a los resultados obtenidos bajo luz visible se ha seleccionado, por su mayor 

actividad, el WO3 con estructura monoclínica y morfología de microesferas, y se 

ha  aplicado  en  la  ozonización  fotocatalítica  con  luz  visible  solar  de DEET  en 

disolución  acuosa,  al  objeto  de  proponer  un modelo  cinético  que  describa  el 

comportamiento de este sistema con vistas a su posible desarrollo y aplicación a 

mayor escala. 

Mediante  el  empleo  de  inhibidores  (ter‐butanol  y  ácido  oxálico),  se 

analizaron las principales especies involucradas en el proceso resultando ser los 

radicales  •HO    los principales responsables de  la degradación y mineralización 

del DEET. Se identificaron diferentes productos intermedios de degradación de 

DEET y  se  estableció  la  evolución de  sus  abundancias  relativas  a  lo  largo del 

tiempo de reacción. La eficacia del  tratamiento de ozonización  fotocatalítica se 

Page 23: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Resumen 

 

 

manifiesta no solo en la velocidad de eliminación del DEET, sino también en la 

de desaparición de  los  intermedios de degradación y de mineralización. En  las 

condiciones de operación ensayadas (CDEET,0 = 15 mg L‐1, pH0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, 

V  =  0,5 L, CWO3  =  0,25  g L‐1, CO3,g  =  10 mg L‐1, Qg  =  15 L h‐1),  los  intermedios 

formados al  inicio, de estructura similar a  la del compuesto de partida,  fueron 

eliminados  por  completo  tras  60  minutos  de  operación,  permaneciendo  en 

disolución únicamente ácidos orgánicos de cadena corta de muy baja toxicidad y 

a concentraciones en concordancia con el grado de mineralización alcanzado (60 

%  en  2  horas).  En  base  a  los  resultados  obtenidos  se  ha  propuesto  para  la 

ozonización fotocatalítica bajo luz visible un mecanismo de reacción que incluye 

distintas etapas basadas en el ataque del radical  •HO  , desarrollando un modelo 

cinético capaz de simular  la evolución de  la concentración de DEET,  la de sus 

principales  intermedios de degradación y  la de  los ácidos orgánicos de cadena 

corta  en  términos  de  carbono  orgánico  total,  lo  que  proporciona  un  enfoque 

simplificado del proceso. 

Page 24: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 25: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1 Introducción y objetivos

El crecimiento demográfico e industrial en las últimas décadas ha provocado un incremento exponencial de la contaminación de los recursos hídricos, lo que motiva el desarrollo de procesos y tecnologías que permitan devolver los parámetros físicos, químicos y biológicos de las aguas residuales a su estado natural. En este capítulo se aborda brevemente la naturaleza de la contaminación hídrica, con especial atención a los denominados contaminantes emergentes. Seguidamente, se exponen algunos conceptos teóricos sobre procesos avanzados de oxidación que se proponen para eliminar dichos contaminantes del agua, haciendo referencia a líneas y resultados actuales de investigación. Por último, se indican los objetivos que se persiguen en este trabajo de Tesis, así como la estructura de la memoria que se presenta.

Page 26: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 27: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

11 

 

1.1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DE LA TESIS 

1.1.1. Contextualización del trabajo 

El presente trabajo de Tesis Doctoral se ha desarrollado dentro del grupo de 

investigación TRATAGUAS del Departamento de Ingeniería Química y Química 

Física de la Universidad de Extremadura [1], gracias a la beca de Formación de 

Personal  Investigador  (Ref. PD12059)  concedida por  la Consejería de Empleo, 

Empresa e Innovación (Junta de Extremadura) y el Fondo Social Europeo.

En los últimos años, la actividad del grupo se ha centrado en la eliminación 

de  contaminantes  emergentes  presentes  en  las  aguas  mediante  procesos 

avanzados  de  oxidación  y,  más  recientemente,  en  la  preparación  de 

catalizadores para su aplicación en dichos procesos. El desarrollo de  las  líneas 

de investigación anteriores ha sido posible gracias a la financiación recibida del 

Ministerio de Economía, Industria y Competitividad y del Fondo Europeo de Desarrollo 

Regional  (FEDER)  a  través  de  los  proyectos  del  Programa  Nacional  de 

Investigación “Integración de procesos de fotocatálisis solar en la depuración biológica 

de  aguas  residuales  para  la  eliminación  de  contaminantes  emergentes” 

(CTQ2009/13459/C05/05);  “Preparación  de  catalizadores  y  su  aplicación  en  la 

eliminación  de  contaminantes  refractarios  de  aguas  residuales  mediante  ozonización 

fotocatalítica”  (CTQ2012/35789/C02/01);  y  “Led  y  fotocatalizadores  polifuncionales 

basados  en  grafeno  y  estructuras  metal‐orgánicas  para  el  tratamiento  de  aguas  por 

ozonización  fotocatalítica”  (CTQ2015‐64944‐R). De  entre  los anteriores,  el  trabajo 

de Tesis Doctoral presentado en esta memoria se encuadra  fundamentalmente 

dentro  del  proyecto CTQ2012/35789/C02/01,  si  bien  se  han  abordado  algunos 

objetivos de los otros dos proyectos citados. 

1.1.2. El agua en el mundo actual 

El  agua  es primordial para  la  salud  y  la  supervivencia de  los  seres  vivos. 

Estos necesitan el agua para  realizar  sus  funciones vitales y  sin ella no habría 

vida. El  agua  representa  entre  el  50  y  el  90 % de  la masa de  los  seres  vivos, 

Page 28: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

12 

 

siendo un 75 % en el caso de los seres humanos. Además, el agua promueve el 

crecimiento  económico y  el desarrollo  social de una  región, de manera que  la 

relativa  abundancia  y  seguridad  del  suministro  hídrico  en  los  países 

industrializados  ha  sido,  en  gran  medida,  el  factor  que  ha  facilitado  su 

desarrollo  económico  [2].  A  su  vez,  el  aumento  en  el  nivel  de  vida  lleva 

aparejado un mayor consumo de agua, por  lo que ha dejado de ser un recurso 

abundante y disponible en cantidad y calidad suficiente para sus diversos usos. 

De toda el agua existente en la Tierra solo una pequeña parte está disponible 

para  su  empleo  y  consumo,  siendo,  por  tanto,  un  recurso  limitado.  La  gran 

mayoría del agua en el planeta, casi el 97,5 %, se encuentra en  los mares y  los 

océanos y, dada su alta salinidad, no puede aprovecharse de forma directa como 

recurso para la población. Del total de agua dulce (2,5 %), más de dos tercios se 

encuentra acumulada en los polos. Así pues, solo una pequeña fracción, inferior 

al 1 % del total del agua en la Tierra, se encuentra accesible en los ríos o en los 

acuíferos, tal y como muestra la Figura 1.1 [3]. 

 

Figura 1.1. Distribución de los recursos hídricos en la Tierra [3]. 

Page 29: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

13 

 

La distribución de los recursos hídricos se basa en el ciclo del agua, en el que 

el océano es el origen de  la mayor parte de  las precipitaciones del planeta. La 

lluvia  sobre  la  tierra  satisface  casi  todas  las  necesidades  de  agua  dulce  de  la 

población,  junto a una pequeña cantidad, continuamente en aumento, de agua 

proveniente de  la desalación  [4,5]. No  obstante,  la disponibilidad de  agua de 

calidad no  es  la misma  en  todas partes;  su distribución no  es homogénea  así 

como tampoco  lo es el sistema de  lluvias en  la Tierra. De hecho, existen países 

húmedos y con escasa población que disponen de mayor cantidad de agua per 

cápita que otros  áridos y más populosos,  algunos de  los  cuales  sufren graves 

problemas de escasez del recurso [6] (ver Figura 1.2). Esto se ve agravado hoy en 

día por efecto del calentamiento global, el cual se prevé que dará lugar a graves 

inundaciones y sequías en amplias zonas del planeta [7]. 

 

Figura  1.2. Porcentaje de  agua  e  índice de población de  cada  continente  sobre  el  total 

mundial  según  datos  de  la  UNESCO  y  el  Departamento  de  Asuntos  Económicos  y 

Sociales de las Naciones Unidas [6]. 

A la distribución heterogénea de los recursos hídricos y las consecuencias del 

cambio climático se suma el aumento de la población mundial a un ritmo de 80 

millones de personas al año, lo que ha triplicado las extracciones de agua en los 

Page 30: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

14 

 

últimos  50  años  según  cifras  del  Programa  Mundial  de  Evaluación  de  los 

Recursos Hídricos  de  las Naciones  Unidas  [8].  Si  las  tendencias  actuales  de 

demografía  y  consumo  continúan,  se  prevé  que  en  2025  dos  de  cada  tres 

personas  en  el mundo  vivirán  en  zonas  con  estrés  hídrico  [8,9]. Además,  los 

mayores crecimientos de población estarán  localizados en países en desarrollo, 

tratándose  en muchos  casos  de  regiones  sin  acceso  a  agua  potable  ni  a  un 

saneamiento adecuado. 

De  forma  paralela,  los  diversos  usos  que  se  han  dado  al  agua,  muy 

influenciados  por  el  aumento  de  la  densidad  poblacional  y  los  modelos  de 

consumo actuales, han provocado una disminución en la calidad del agua dulce 

disponible.  Hasta  hace  relativamente  pocos  años,  gracias  a  su  conocida 

capacidad de auto‐depuración, los ríos han sido con frecuencia los receptores de 

las aguas residuales generadas por el hombre. En muchos casos, los vertidos han 

sobrepasado con creces la capacidad auto‐depuradora del agua, provocando una 

contaminación  que  altera  sus  características  y  hace  inservible  este  recurso 

natural  para  determinados  usos.  El  principal  problema  lo  constituyen  los 

vertidos  residuales  procedentes  de  la  industria,  la  agricultura  y  la  ganadería, 

aunque  los  desechos  domésticos  también  juegan  un  papel  destacado  en  la 

contaminación del medio ambiente acuático [10].  

En cifras reales, el 70 % del consumo total de agua en el mundo se destina a 

uso agrícola y ganadero, el 22 % a uso  industrial y un 8 % al gasto doméstico, 

según se constata en la edición del año 2016 del Informe de las Naciones Unidas 

sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo [10]. El sector productor 

no sólo es el que más consume, también es el que más contamina. La necesidad 

de alimentos ha  llevado a  la expansión del  riego y a una utilización  cada vez 

mayor  de  fertilizantes  y  plaguicidas  con  el  fin  de  lograr  y  mantener 

rendimientos superiores. Estas sustancias son arrastradas por el agua de lluvia y 

de riego, movilizando consigo desde compuestos de nitrógeno, fósforo y azufre 

hasta trazas de otros compuestos tóxicos, como por ejemplo los organoclorados. 

El gran contenido en nutrientes de estas escorrentías causa  la eutrofización en 

Page 31: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

15 

 

aguas superficiales y la contaminación de aguas subterráneas por infiltración en 

el subsuelo [11]. 

Por su parte, el sector  industrial produce un  impacto ambiental aún mayor 

debido  a  la  introducción  de  una  gran  variedad  de  sustancias  que  pueden 

contaminar  el  medio  hídrico  aportando  materia  orgánica,  metales  pesados, 

radiactividad, aceites, grasas, ácidos, bases,  temperatura extrema, etc. Entre  las 

industrias  más  contaminantes  destacan  las  petroquímicas,  energéticas, 

papeleras, metalúrgicas, alimentarias, textiles y mineras [12]. 

En cuanto a la contaminación de origen doméstico, las aguas residuales que 

se  generan  constituyen  una  fuente  de  patógenos  microbianos,  sólidos  en 

suspensión, nutrientes como el nitrógeno y el fósforo y materia orgánica, tanto 

coloidal como disuelta, que consumirá oxígeno  [13]. Además, cada vez es más 

frecuente  la  aparición  en  estas  aguas  de  productos  químicos  presentes  en  la 

composición de fármacos, cosméticos o productos de limpieza [14]. 

Aparte de los anteriores, existen otros sectores fuertemente dependientes del 

agua  y,  por  tanto,  fuentes  de  contaminación  de  la  misma,  entre  los  que  se 

encuentran la silvicultura, la pesca y la acuicultura continental, la eliminación de 

desechos y la minería y la extracción de recursos [10]. 

En conclusión, el desarrollo demográfico e industrial de las últimas décadas 

ha  incrementado  el  uso  indiscriminado de  los  recursos  hídricos  hasta  niveles 

insostenibles.  En  este  escenario,  surge  la  necesidad  de  tomar  medidas 

legislativas  para  proteger  las  aguas  tanto  en  términos  cualitativos  como 

cuantitativos y garantizar  así  su  sostenibilidad. Esta  legislación,  cada vez más 

estricta,  obliga  a  asumir una  idea  clave para un nuevo  enfoque de  la  gestión 

hídrica:  considerar  el problema de  forma global,  esto  es,  el  “ciclo  integral del 

agua”. De esta forma, la captación ya no es algo separado de la potabilización y 

la  depuración,  de  manera  que  si  el  agua  residual  se  trata  y  se  purifica 

suficientemente se convierte en agua regenerada, que puede y debe ser de nuevo 

utilizada  regresando de este modo al punto  inicial del ciclo. No se  trata ya de 

Page 32: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

16 

 

buscar nuevas fuentes de agua, sino de recuperar la que se malgasta, regenerar 

la que se contamina y reutilizarla [15].   

1.1.2.1. Marco legal del agua 

La  Directiva Marco  Europea  del  Agua  (DMA)  nace  como  respuesta  a  la 

necesidad de unificar las actuaciones en materia de gestión de agua en la Unión 

Europea.  La DMA  es  el  fruto  de  un  proceso  extenso  de  discusión,  debate  y 

puesta  en  común de  ideas  entre un  amplio  abanico de  expertos, usuarios del 

agua, medioambientalistas y políticos que, por consenso, sentaron los principios 

fundamentales de la gestión moderna de los recursos hídricos y que constituyen 

hoy por hoy los cimientos de esta directiva. Tras un largo periodo de gestación 

de más de  cinco  años  entró  en vigor  el  22 de diciembre de  2000  (2000/60/CE) 

[16], siendo posteriormente modificada por la Directiva 2008/105/CE [17] y, más 

recientemente, por la Directiva 2013/39/UE [18]. 

Esta legislación europea persigue como objetivo último conseguir restablecer 

las  características  naturales  de  las masas  de  agua,  eliminando  de  ellas,  entre 

otras, las sustancias consideradas prioritarias y peligrosas. Para ello, se tienen en 

cuenta  aspectos  como  el  principio  de  acción  preventiva  o  el  control  de  la 

contaminación en su origen, mediante la fijación de valores límite de emisión y 

de normas de calidad ambiental  (NCA), entre otros. Las sustancias prioritarias 

están definidas por  la Directiva 2000/60/CE  [16]. A  través del artículo 16 de  la 

misma, se exige el establecimiento de un listado de estas sustancias en base a su 

capacidad  para  representar  un  riesgo  significativo  para  o  a  través  del medio 

acuático. De esta forma, la Decisión 2455/2001/CE [19] estableció la primera lista 

de  sustancias  prioritarias,  que  debía  ser  sometida  a  revisión  cada  4  años  y 

actualizada en  función de  las nuevas sustancias que pudieran ser  identificadas 

como prioritarias. Así, el anexo II de la Directiva 2008/105/CE presenta una lista 

de 33 sustancias [17] entre las que figuran los metales cadmio, plomo, mercurio 

y níquel y sus compuestos, el benceno, los hidrocarburos aromáticos policíclicos 

y  varios  pesticidas  [20].  De  estas  sustancias,  11  fueron  identificadas  como 

peligrosas y, por tanto, sujetas a cese o eliminación progresiva de sus emisiones, 

Page 33: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

17 

 

descargas y pérdidas en un plazo de tiempo no superior a 20 años. Además, en 

el Anexo  I de esta directiva  también se establecen  las NCA  relativas a valores 

máximos  de  concentración media  y  de  concentración máxima  admisibles  de 

cada sustancia, debiendo velar  los Estados miembros porque se cumplan estos 

estándares de calidad [17].  

Con la publicación de la Directiva modificativa 2013/39/UE, a la lista inicial se 

sumaron  12  sustancias más,  contando por  tanto  con un  total de  45  sustancias 

prioritarias de las cuales 21 son identificadas como peligrosas. Además, en base 

a  los  últimos  conocimientos  técnicos  y  científicos  sobre  sus  propiedades,  la 

directiva actualiza las NCA de 7 de las 33 sustancias prioritarias originales [18]. 

Desde el 22 de diciembre de 2015 los planes hidrológicos deben tener en cuenta 

estas NCA  revisadas con el objeto de alcanzar un buen estado químico de  las 

aguas  superficiales  en  relación  con  estas  sustancias,  a  más  tardar  el  22  de 

diciembre de 2021. Asimismo,  las 12 sustancias prioritarias más recientes y sus 

NCA  deberán  tenerse  en  cuenta  en  la  elaboración  de  los  programas  de 

seguimiento  suplementarios  y  en  programas  preliminares  de  medidas  a 

presentar antes de que finalice 2018, con el fin de lograr un buen estado químico 

de las aguas superficiales en relación con estas nuevas sustancias a más tardar el 

22 de diciembre de 2027. 

Para  cada demarcación hidrográfica,  los Estados miembros deben  elaborar 

un  inventario de emisiones, vertidos y pérdidas de  las sustancias  identificadas 

por esta directiva. En España, esto se gestiona a través de programas de control 

de  Sustancias Peligrosas, dependientes del Ministerio de Agricultura  y Pesca, 

Alimentación y Medioambiente [21]. 

Por otra parte,  la Directiva 2013/39/UE  introduce una estipulación según  la 

cual debe establecerse una lista de observación de sustancias sobre las que han 

de recabarse datos de seguimiento a nivel de la Unión Europea, para que sirvan 

de base a futuros ejercicios de asignación de prioridad de conformidad [18]. En 

este  sentido,  la  Decisión  495/2015/UE  [22]  estableció  una  primera  lista  de 

Page 34: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

18 

 

observación que contenía 10 sustancias y que deberá actualizarse cada dos años. 

Se tienen en cuenta, en particular, aquellas sustancias que estuvieron a punto de 

ser consideradas prioritarias en la última revisión pero para las que los datos de 

seguimiento  siguen  siendo  insuficientes  como  para  confirmar  un  riesgo 

significativo. También se examinaron otras sustancias nuevas sobre las que no se 

disponía de datos de seguimiento recientes o estos eran  insuficientes. El riesgo 

que supone cada una de esas sustancias se determina a partir de la información 

disponible sobre su peligrosidad intrínseca y la exposición del medioambiente a 

ellas.  Por  su  parte,  dicha  exposición  se  estima  a  partir  de  los  datos  sobre  el 

alcance de la producción y utilización, teniendo en cuenta datos de seguimiento 

reales. 

Cabe  destacar  la  incorporación  en  la  primera  lista  de  observación  de  los 

fármacos  diclofenac,  17‐‐estradiol  y  17‐‐etinilestradiol.  Los  fármacos  se 

encuentran  entre  las  sustancias  conocidas  como  “contaminantes  emergentes  o 

contaminantes  de  preocupación  emergente”,  junto  a  otros  compuestos 

empleados en la industria y en la vida diaria tales como productos de higiene y 

cuidado  personal,  drogas  de  abuso,  los  metabolitos  y/o  productos  de 

degradación  de  las  sustancias  anteriores,  surfactantes,  aditivos  industriales, 

pesticidas, retardantes de llama, esteroides y hormonas [23].  

La aparición de contaminantes emergentes en las aguas se justifica en base al 

cambio  en  los  hábitos  de  consumo  de  la  sociedad  actual  (mayor  densidad  y 

envejecimiento de la población, mayor cuidado de la imagen exterior, aumento 

de  enfermedades  psicológicas  o  de  cáncer,  etc.),  y  su  presencia  se  ha  hecho 

evidente gracias al avance de  las  técnicas analíticas  [24]. Se producen a escala 

mundial,  tienen multitud de  aplicaciones  y han  llegado  a  ser  imprescindibles 

para  la  sociedad moderna. En  la mayoría de  los  casos,  estos  compuestos  son 

introducidos  en  el  medio  hídrico  a  través  de  las  aguas  residuales  urbanas, 

aunque  también  pueden  proceder  de  las  aguas  empleadas  en  actividades 

industriales o agrícolas y ganaderas que,  como puede observarse en  la Figura 

1.3, se descargan en  las estaciones depuradoras de aguas  residuales  (EDAR) o 

Page 35: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

19 

 

directamente  a  los  ríos,  receptores  a  su  vez  de  los  efluentes  de  las  EDAR. 

También pueden introducirse en las aguas subterráneas a través de la lixiviación 

de  los  vertidos  o  de  las  filtraciones  de  las  aguas  superficiales.  Así,  se  ha 

identificado la presencia de un amplio número de contaminantes emergentes en 

aguas superficiales, en efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales 

[25‐28], e incluso en aguas potables de consumo humano [29‐31], claro indicador 

de que los tratamientos convencionales resultan  ineficaces en  la eliminación de 

muchos de estos compuestos  [14,32‐34]. Por este motivo, si el agua regenerada 

contiene  estos  compuestos  y  es  utilizada  en  la  irrigación,  algunos  de  los 

contaminantes  pueden  adsorberse  en  el  suelo  e  incluso  llegar  a  contaminar 

aguas subterráneas [35].  

 

Figura 1.3. Introducción de los contaminantes emergentes en el medio hídrico (adaptada 

de [36]). 

Si bien la concentración de estos compuestos en las aguas es baja (del orden 

de  ng  L‐1),  la  exposición  crónica  debida  a  su  introducción  continuada  puede 

representar un nuevo problema medioambiental [37]. Aunque la presencia de la 

mayoría de ellos en el medioambiente aún no se analiza de forma rutinaria, su 

toxicidad frente a distintos organismos y microorganismos sí ha sido objeto de 

Page 36: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

20 

 

estudio  en  los  últimos  años,  concluyéndose  que  la  exposición  crónica  puede 

causar  alteraciones  en  la  vida  acuática,  afectando  al  comportamiento  y 

reproducción de  las especies, a  la composición de  las comunidades biológicas, 

etc. [31,38]. Más aún, algunos trabajos revelan efectos dañinos en el crecimiento, 

proliferación o material genético de células humanas  [39,40]. El efecto de estos 

contaminantes depende no  solo de  su concentración en el medio hídrico,  sino 

también  de  factores  tales  como  su  solubilidad  en  grasas,  su  persistencia, 

bioacumulación,  tiempo  de  exposición  o mecanismos  de  biotransformación  y 

eliminación  [20]. Así,  aunque  se  encuentren  en  concentraciones muy  bajas,  la 

exposición crónica y  la acción sinérgica de estos compuestos o sus metabolitos 

con otros contaminantes, unido en muchos casos a su baja biodegradabilidad y a 

su posible bioacumulación en  la cadena  trófica, podría constituir a  largo plazo 

una amenaza potencial para los ecosistemas acuáticos y terrestres [14,29,41]. 

Cada vez con más asiduidad, los medios de comunicación se hacen eco de los 

resultados  de  los  trabajos  realizados  por  la  comunidad  científica  sobre  la 

presencia de este tipo de contaminantes en  las aguas y sus posibles efectos. En 

2005 la prensa española sacó a la luz pública un estudio en el que se ponían de 

manifiesto fenómenos de feminización en peces en  la cuenca del río LLobregat 

como  resultado  de  la  presencia  de  compuestos  con  actividad  estrogénica, 

capaces  de  actuar  como  alteradores  endocrinos  [42].  En  2008  los  medios 

informaban sobre la presencia de medicamentos en el agua potable de un gran 

número de ciudades de Estados Unidos  [43]. En base a  los estudios realizados 

por  investigadores de distintas  instituciones  españolas,  en 2009 varios medios 

alertaban sobre la presencia de drogas y sus metabolitos en el Ebro [44]. En 2012, 

la  prensa  española  recogía  los  resultados  obtenidos  por  investigadores  de  la 

Facultad de Ciencias de  la  Salud de  la Universidad Rey  Juan Carlos  sobre  la 

presencia  de  fármacos  en  el  agua  embotellada,  según  los  cuales  5  de  las  10 

marcas comerciales evaluadas presentaron nicotina en concentraciones de 7 a 15 

ng  L‐1  [45].  Más  recientemente,  también  en  nuestro  país  los  medios 

comunicación se han hecho eco del estudio realizado por expertos del Instituto 

de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA), sobre  la acumulación 

Page 37: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

21 

 

de  retardantes  de  llama  en  delfines que  habitan  en  el  Golfo  de  Cádiz  y  el 

estrecho de Gibraltar, productos capaces de alterar  la función de  las hormonas 

de los cetáceos [46].  

La  toma de  conciencia del  riesgo que ocasiona  la presencia de este  tipo de 

contaminantes  en  el medio  ambiente  es  relativamente  reciente.  Teniendo  en 

cuenta que según las tendencias de consumo actuales, ni la producción y uso de 

estos compuestos ni  la consecuente continua  introducción de  los mismos en el 

medio ambiente van a reducirse, se requiere una investigación más urgente. Es 

necesario obtener datos suficientes para valorar de forma apropiada el impacto 

de  los  contaminantes  emergentes,  determinar  si  pueden  considerarse  como 

sustancias  peligrosas  y,  en  ese  caso,  establecer  niveles  máximos  para  su 

concentración  en  las  aguas. Actualmente,  este  estudio  se  encuentra  entre  las 

líneas de investigación prioritarias de los principales organismos dedicados a la 

protección de  la  salud pública  y medioambiental,  tales  como  la Organización 

Mundial de la Salud (OMS), la Agencia de los Estados Unidos para la Protección 

del Medioambiente (US‐EPA), o la Comisión Europea. 

1.1.2.2. Conservación de los recursos hídricos 

Continuamente aparecen nuevos contaminantes potencialmente peligrosos y 

la demanda de agua no deja de ir en aumento. Al tratarse de una problemática 

directamente relacionada con el desarrollo y la salud pública, se hace necesario 

establecer una serie de pautas y acciones en materia de depuración de las aguas 

residuales  que  permita,  no  solo  cumplir  con  la  normativa,  sino  también 

implantar un ciclo de reutilización de las aguas tratadas.  

La Directiva 91/271/CEE de 21 de Mayo de 1991 [47], por la que se regula el 

tratamiento de las aguas residuales urbanas antes de su vertido, establecía que a 

partir del año 2005 todos los núcleos urbanos de más de 2000 habitantes debían 

disponer  de  instalaciones  para  la  recogida  y  el  tratamiento  de  las  aguas 

residuales. Posteriormente, en el año 2000,  la Directiva Marco del Agua vino a 

exigir no solo la depuración de las aguas residuales, sino conseguir que el grado 

Page 38: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

22 

 

de  depuración  cumpliera  los  parámetros  establecidos  para  asegurar  el  buen 

estado ecológico de todas las masas de agua, fijando finales del año 2015 como 

fecha  límite de cumplimiento  [16]. Esto  implicaba que ya no era suficiente que 

una  población  contara  con  depuradora,  sino  que  esta  tenía  que  funcionar 

adecuadamente.  

En España, en respuesta a la Directiva 91/271/CEE sobre el tratamiento de las 

aguas  residuales,  se  elaboró  el  Plan  Nacional  de  Calidad  de  las  Aguas: 

Saneamiento  y  Depuración  (PNCA)  [48],  con  un  escenario  temporal 

comprendido entre 2007 y 2015, haciendo coincidir  la  fecha  límite con  la de  la 

Directiva Marco del Agua para así cumplir con la política europea en materia de 

medioambiente  hídrico.  Entre  las  principales  líneas  de  actuación,  el  Plan 

contemplaba,  además de  la  construcción,  explotación  y mantenimiento de  las 

depuradoras,  el  acondicionamiento  de  los  sistemas  de  depuración  a  una 

reducción  eficaz  de  nutrientes  mediante  tratamiento  terciario  en  las  zonas 

declaradas sensibles. El Plan  lleva retraso en su ejecución debido en parte a  la 

fuerte  caída de  la  inversión pública  en  infraestructuras del agua. A  finales de 

2015 operaban en España un total de 2940 plantas EDAR, las cuales depuraron 

durante  el  ejercicio  un  volumen  de  5160  hm3.  Es  necesaria  la renovación  y 

adecuación  tecnológica del parque de EDAR existente, así  como  la ampliación 

futura  de  la  red,  de  cara  a incrementar  el  grado  de  conformidad de  la  carga 

contaminante tratada, de acuerdo con la normativa europea [49]. La meta fijada 

por  el Ministerio para  alcanzar  los  objetivos  ambientales  es  conseguir  que  en 

2021  el 74 % de  las masas de agua alcance  el buen  estado y  el 93 % antes de 

finalizar 2027 [50]. 

Por lo general, en la depuración de aguas residuales urbanas suelen aplicarse 

únicamente  tratamientos  primarios  y  secundarios,  con  los  que  se  consigue 

reducir en gran medida  la  contaminación de estos efluentes, pero  sin  lograr a 

menudo cumplir la normativa vigente, cada vez más estricta. Además, tal como 

se ha comentado anteriormente, muchos de  los contaminantes emergentes son 

refractarios a los tratamientos convencionales de las EDAR. La tendencia actual 

Page 39: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

23 

 

es  la utilización de  tratamientos  terciarios, entre  los que destacan una o varias 

etapas de oxidación química, tanto para cumplir la normativa, como para lograr 

reutilizar el agua, que es el gran objetivo del futuro [51].  

Con  la  Directiva  Marco  del  Agua,  la  reutilización  se  plantea  como  una 

posible medida complementaria de protección de  los recursos hídricos [16]. En 

este  sentido,  en  nuestro  país  el Real  Decreto  1620/2007 [52],  por  el   que  se 

establece el Régimen  Jurídico de  la Reutilización de  las Aguas Depuradas,   ha 

facilitado  su  desarrollo  de  manera  que,  actualmente,  España  se  sitúa  en  el 

primer puesto de la Unión Europea en reutilización de efluentes de depuradora 

[50]. En el citado decreto se aclaran varios conceptos relativos a la reutilización 

del  agua  hasta  entonces  empleados  indistintamente,  se  decretan  los  usos 

permitidos  (urbanos,  agrícolas,  recreativos,  industriales  y  ambientales)  y  los 

prohibidos (entre los que destaca el consumo humano), fijando para cada uno de 

ellos los parámetros de calidad y valores máximos permitidos y determinando el 

régimen  de  control  y  responsabilidades  en  relación  al  mantenimiento  de  la 

calidad, normalizándose  los procedimientos  administrativos para  la obtención 

del derecho al uso. Entre los parámetros para evaluar la calidad se encuentran la 

carga microbiológica (nematodos intestinales, Escherichia coli, Legionella spp, etc.), 

los sólidos en suspensión, la turbidez y el contenido en nitrógeno y fósforo. 

En España se comenzó a tramitar el Plan Nacional de Reutilización de Aguas 

(PNRA, 2012) [53] como herramienta de planificación y gestión para el fomento 

de  la  reutilización  con  dos  horizontes:  2015  y  largo  plazo.  La  capacidad  de 

regeneración de aguas depuradas prevista para 2015 se estimaba en 1000 hm3 al 

año. Actualmente, los planes hidrológicos sitúan la cifra de agua regenerada en 

unos  400  hm3  anuales  [50],  aún muy  lejos  de  la  cantidad  proyectada  por  la 

Administración. El precio de la regeneración es la principal barrera para el uso 

del agua regenerada en España (solo se reutiliza el 11 % de las aguas residuales) 

[50].  El  PNRA  se  planteó  sin  compromisos  de  financiación  y  parece  haber 

sucumbido a los cambios de gobierno. Sin embargo, continúan desarrollándose 

multitud de iniciativas de reutilización a escala regional y local. Gracias a estas 

Page 40: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

24 

 

iniciativas,  tres  cuartas  partes  del  agua  regenerada  (75  %)  se  destina  a  la 

agricultura,  el  12 %  al  riego de  campos de  golf  y  jardines,  el  6 %  a  servicios 

urbanos,  el  4 %  a  recarga de  acuíferos y  en  torno  al  3 %  a un uso  industrial, 

según los últimos datos disponibles [50].  

Los  beneficios  del  empleo  de  aguas  regeneradas  en  la  agricultura  son 

notables, no solo por el ahorro de agua dulce que supone sino porque, además, 

el  agua  regenerada  puede  contener  nutrientes  provechosos  para  la  tierra  de 

cultivo dado el valor fertilizante de los mismos. No obstante, la reutilización no 

está  exenta  de  riesgos.  Puede  existir  una  falta  de idoneidad  agronómica para 

riego  si  las  aguas  depuradas  presentan  una  alta  salinidad  y  elevadas 

concentraciones de iones fitotóxicos [54]. Independientemente del uso que se le 

vaya  dar  al  agua  regenerada,  existen  también  riesgos  sanitarios  y 

medioambientales debidos a la posible presencia de microorganismos patógenos 

[55] y de compuestos orgánicos capaces de producir efectos perjudiciales a largo 

plazo. Cabe destacar nuevamente la presencia de contaminantes emergentes en 

las aguas regeneradas en las depuradoras, aspecto que puede poner en peligro el 

futuro de la reutilización al constituir una entrada potencial de estos compuestos 

en  el  medioambiente.  Así,  algunos  estudios  han  demostrado  que  los 

contaminantes  emergentes  presentes  en  las  aguas  reutilizadas  son  adsorbidos 

por  el  suelo, pudiendo  a  continuación  acumularse  en  las plantas  cultivadas y 

llegar a través de la cadena alimentaria al ser humano [29,56,57].  

Por  los motivos expuestos, al objeto de posibilitar  la  reutilización de  forma 

segura  de  los  efluentes  depurados  y  de  evitar  la  llegada  de  contaminantes 

emergentes  a  los  cuerpos de  agua,  se  hace  recomendable  la  aplicación de un 

tratamiento  terciario adicional a  los  tratamientos convencionales de  las EDAR. 

El desarrollo de procesos alternativos y avanzados ha dado  lugar a un amplio 

campo de estudio en las últimas décadas [58]. 

 

 

Page 41: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

25 

 

1.1.3. Procesos avanzados de oxidación 

Los procesos  avanzados de  oxidación  (PAO), definidos por Glaze  et  al.  en 

1987  [59],  son  capaces de  oxidar de manera no  selectiva un  amplio  grupo de 

contaminantes resistentes a los procesos convencionales de tratamiento de aguas 

[14,60]. Los PAO  se  basan  en  la  producción  “in  situ” de  especies  transitorias 

energéticas, principalmente radicales hidroxilo (•

HO  ), que tienen un alto poder 

oxidante. Así,  bajo  condiciones  favorables,  es posible  lograr  la mineralización 

completa  (transformación  hasta CO2, H2O  y  sales  inorgánicas  inocuas)  de  los 

contaminantes presentes en el agua [61].  

Los distintos PAO  se diferencian  entre  sí por  el mecanismo de producción 

del radical hidroxilo. Así, se puede diferenciar entre los métodos fotoquímicos, 

donde estas especies activas se generan inducidas por algún tipo de radiación; y 

los no fotoquímicos, en los cuales el radical hidroxilo se produce sin necesidad 

de una fuente de radiación. Esta clasificación se recoge en la Tabla 1.1.  

Tabla 1.1. Principales procesos avanzados de oxidación [62]. 

Procesos no fotoquímicos  Procesos fotoquímicos 

Ozonización en medio alcalino (O3/HO•) Radiación ultravioleta con peróxido de 

hidrógeno (UV/H2O2) 

Ozonización en presencia de peróxido de 

hidrógeno (O3/H2O2) Radiación ultravioleta y ozono (UV/O3) 

Ozonización catalítica (O3/catalizador) Radiación ultravioleta con ozono y 

peróxido de hidrógeno (UV/O3/ H2O2) 

Procesos Fenton (Fe(II)/H2O2) y 

relacionados Fotocatálisis heterogénea (UV/catalizador) 

Oxidación electroquímica o 

electrocatalítica 

Foto‐Fenton (Fe(II)/H2O2/UV) y 

relacionados 

Descarga electrohidráulica‐ultrasonido UV/Fe(III) y relacionados 

(UV/ferricomplejos) 

Oxidación húmeda y supercrítica  Fotólisis en el ultravioleta de vacío (UVV) 

Radiólisis γ y tratamiento con haces de 

electrones  

Page 42: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

26 

 

Cabe  destacar  que  la  combinación  de  dos  o  más  PAO  ha  mostrado 

frecuentemente efectos  sinérgicos en  relación con  la velocidad de degradación 

de los contaminantes [63,64]. 

El principal inconveniente de los PAO radica en el alto coste de los reactivos 

necesarios  tales  como  el  ozono,  el  peróxido  de  hidrógeno  o  las  fuentes 

artificiales de radiación, por lo que su implementación se restringe a situaciones 

en  las  que  los  procesos  biológicos  no  son  eficaces  en  la  eliminación  de 

determinados contaminantes orgánicos [65]. No obstante, en el caso de los PAO 

fotoquímicos podría emplearse  la radiación natural proveniente del sol,  lo que 

supondría  un  ahorro  energético  considerable.  Muchos  de  los  procesos 

fotoquímicos  se  pueden  denominar  procesos  fotocatalíticos  ya  que  emplean 

algún  tipo  de  catalizador.  Entre  estos  se  distinguen  procesos  de  fotocatálisis 

homogénea  (e.g.,  sistema  foto‐Fenton)  y  procesos  de  fotocatálisis  heterogénea 

(e.g.,  fotocatálisis  con  TiO2).  Puesto  que  en  la  presente  investigación  se  ha 

aplicado la fotocatálisis heterogénea mediante el uso de distintos catalizadores y 

fuentes  de  radiación,  así  como  su  combinación  con  ozono,  a  continuación  se 

describen detalladamente ambos procesos.  

1.1.3.1. Fotocatálisis heterogénea 

Desde  la  primera  referencia  a  los  procesos  fotocatalíticos  en  1910  por  J. 

Plotnikow [66], la fotocatálisis heterogénea ha sido ampliamente estudiada en el 

ámbito de degradación de contaminantes, particularmente en fase acuosa. 

La  base  de  la  fotocatálisis  heterogénea  es  la  foto‐excitación  de  un 

semiconductor  sólido  como  consecuencia  de  la  absorción  de  radiación 

electromagnética, procedente de una fuente lumínica con una longitud de onda 

determinada (UV e incluso visible). Los semiconductores poseen una estructura 

electrónica  caracterizada  por  tener  una  banda  de  valencia  (BV)  llena  y  una 

banda de conducción (BC) vacía, lo que les permite actuar en los procesos redox 

inducidos por  la  luz. Cuando un material semiconductor adecuado es excitado 

por fotones que poseen energía de magnitud suficiente para superar la energía 

Page 43: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

27 

 

correspondiente  al  salto  de  banda  (band  gap),  se  produce  la  transición  de 

electrones  desde  la  banda  de  valencia  hacia  la  banda  de  conducción 

generándose pares portadores de carga electrón‐hueco positivo [67]. Puesto que 

los huecos de la banda de valencia son oxidantes poderosos y los electrones de 

la banda de conducción  son buenos  reductores, estos portadores de carga  son 

capaces de inducir reacciones de oxidación o reducción, respectivamente [68]. 

La  excitación  del  semiconductor  puede  tener  lugar  de  dos  formas:  por 

excitación directa del semiconductor (el caso más habitual y al que generalmente 

hace referencia el término de fotocatálisis heterogénea), de manera que es este el 

que absorbe los fotones que llegan a su superficie; o por excitación de moléculas 

adsorbidas  en  la  superficie  del  catalizador  que,  a  su  vez,  ceden  electrones  al 

semiconductor.  En  estas  últimas  reacciones  se  suele  hablar  de  foto‐

sensibilizadores para referirse a los compuestos orgánicos adsorbidos capaces de 

ceder electrones al semiconductor.  

En la Figura 1.4 se muestra un esquema del mecanismo global del proceso de 

fotocatálisis heterogénea que tiene lugar en una partícula de un semiconductor 

de banda ancha, en disolución acuosa aireada en presencia de materia orgánica 

[69].  Como  se  observa  en  el  esquema,  cuando  un  semiconductor  sólido  es 

irradiado con luz de energía suficiente se generan pares electrón‐hueco que, en 

cuestión de nanosegundos, pueden migrar a  la  superficie y  reaccionar  con  las 

especies adsorbidas (procesos c y d). Los que no lo hacen, se recombinan entre sí 

y la energía se disipa, pudiendo tener lugar la recombinación en la superficie o 

en  el  seno del  catalizador  (procesos a y b,  respectivamente). Los huecos y  los 

electrones generados dan lugar, a través un mecanismo de reacción complejo, a 

especies altamente oxidantes que desempeñan un papel clave en la degradación 

de  contaminantes  orgánicos  en  disolución  acuosa.  Obviamente,  la 

recombinación del par electrón‐hueco es perjudicial para la eficacia del proceso 

fotocatalítico al reducir la posibilidad de generación de especies activas.  

Page 44: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

28 

 

 

Figura  1.4.  Esquema  del  proceso  fotocatalítico  de  oxidación  de  materia  orgánica  en 

disolución acuosa [69]. 

Profundizando  algo  más  en  el  proceso,  una  vez  generado  el  par 

electrón/hueco  en  las  bandas  de  conducción  y  de  valencia,  respectivamente                 

( BC BVe / h , reacción (1.1)), estas especies móviles pueden migrar a  la superficie 

del  catalizador  ( s se / h )  y/o  ser  fácilmente  atrapadas  formando  estados  de 

menor movilidad  ( T Te / h ), de acuerdo a  las  reacciones  (1.2) y  (1.3). A su vez, 

estas especies pueden dar  lugar a  la reacción de recombinación (1.4), en  la que 

e   y  h   representan  todas  las  formas  de  electrones  y  huecos  (BC,  BV, 

superficiales  o  atrapados).  La  recombinación  supone  un  problema  serio  en  el 

desarrollo  de  las  tecnologías  fotocatalíticas  al  limitar  severamente  los 

rendimientos cuánticos que pueden alcanzarse [69].   

  BC BVSemiconductor h e h   (1.1) 

  BC s Te e e   (1.2) 

  BV s Th h h   (1.3) 

Page 45: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

29 

 

  e h Semiconductor calor   (1.4)                        

Existe  una  gran  controversia  sobre  la  naturaleza  de  los  huecos  atrapados 

[70,71]. En general, se ha asumido que el agua adsorbida sobre la superficie del 

catalizador puede ser foto‐reducida por los  sh  dando lugar a radicales hidroxilo 

superficiales, de acuerdo  con  la  reacción  (1.5). Sin embargo, otros autores han 

demostrado  que  esta  reacción  está  cinética  y  termodinámicamente  impedida 

[70], proponiéndose la reacción (1.6) para explicar la formación de huecos menos 

móviles  [72]. En ella,  los  sh  son atrapados por  iones oxígeno  terminales de  la 

red  del  catalizador  ( 2sO )  formando  radicales  terminales  protonados  o 

desprotonados, dependiendo del pH. 

  s s 2 s sh HO (H O ) HO   (1.5) 

  2s s s sh O HO O   (1.6) 

Por otro lado, en caso de existir oxígeno en la superficie de las partículas de 

catalizador, este actuará como aceptor de electrones a través de la reacción (1.7), 

en la que  e  representa los electrones en todas sus formas. Los radicales anión 

superóxido ( 2O  ) formados podrían recombinarse dando lugar a la aparición de 

peróxido de hidrógeno  (reacción  (1.8)),  capaz de  reaccionar  con electrones y/o 

con radicales superóxido adicionales y generar radicales libres hidroxilo a través 

de la reacción (1.9). 

  2 2e O O   (1.7) 

  2 2 2 2 2O O 2H H O O   (1.8) 

  ‐2 2 2 2e O H O HO HO O   (1.9) 

En  este mecanismo  de  reacción  complejo  (pero  simplificado),  los  radicales 

libres  hidroxilo, •

HO  ,  y/o  los  huecos  atrapados  ( T s sh HO / O ),  pueden  ser 

Page 46: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

30 

 

responsables de  la oxidación no selectiva de  la materia orgánica presente en el 

medio  acuoso  y  su  posterior mineralización  (reacción  (1.10)).  La  fotocatálisis 

heterogénea es uno de  los PAO para el  tratamiento de aguas más estudiados, 

demostrando  ser una  tecnología muy eficiente en el  tratamiento de  sustancias 

difícilmente  biodegradables  y  altamente  refractarias  a  los  tratamientos 

convencionales de las EDAR [69,73,74]. 

  T T 2 2HO h C C ʹ HO h . . . CO H O   (1.10) 

Entre  las  variables  que  pueden  afectar  al  proceso  fotocatalítico,  aparte  de 

parámetros propios tales como la intensidad y longitud de onda de la radiación 

empleada,  la  geometría del  reactor  y  la  concentración de  contaminantes  y de 

catalizador, algunos investigadores postulan que, si bien el H2O2 generado en la 

reacción  (1.8) podría  actuar  como  captador de  electrones  a  través de  (1.9),  es 

crítico  el  aporte  continuo  de  oxígeno  al  sistema  para  el mantenimiento  de  la 

reacción (1.7), evitando así la recombinación del par  e / h . Por otra parte, existe 

un claro acuerdo en el efecto dominante del pH del medio dada su  influencia 

sobre  el  estado de  la  superficie del  semiconductor,  la banda de potencial y el 

grado de disociación de los contaminantes. 

1.1.3.2. Combinación de ozono y fotocatálisis heterogénea: ozonización fotocatalítica 

La  eficacia  del  proceso  fotocatalítico  puede  mejorarse,  tanto  en  términos 

cinéticos  (mayor  velocidad  de  degradación  de  contaminantes),  como 

económicos  (menores  costes  energéticos),  con  la  presencia  de  otras  especies 

oxidantes  o  mediante  su  combinación,  secuencial  o  simultánea,  con  otras 

operaciones físicas o químicas de tratamiento de aguas.  

En  este  trabajo  de  Tesis  se  ha  estudiado  la  combinación  simultánea  del 

proceso  de  fotocatálisis  heterogénea  empleando  distintos  semiconductores  y 

ozono (ozonización fotocatalítica). Esta combinación ha demostrado ser un PAO 

muy eficaz al aumentar el  rendimiento de  formación de especies oxidantes en 

comparación con los procesos individuales [61,75], y ha sido aplicada con éxito a 

Page 47: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

31 

 

la degradación de diversos contaminantes emergentes en agua [76‐80]. 

El  ozono  (O3)  es  un  agente muy  reactivo  de  elevado  poder  oxidante  que 

puede actuar frente a compuestos que poseen determinados grupos funcionales. 

En algunos casos, estas reacciones dan  lugar a  la  formación de radicales  libres 

que se propagan por el medio generando, entre otros,  radicales hidroxilo que, 

como  ya  se  ha  comentado,  son  extremadamente  reactivos  frente  a  la materia 

orgánica y algunos de los compuestos inorgánicos presentes en el agua [81]. Por 

esta  razón,  las  reacciones  del  ozono  en  el  agua  se  pueden  clasificar  como 

reacciones  directas  e  indirectas.  Las  reacciones  directas,  también  llamadas 

reacciones de ozono molecular, son aquellas en las que el ozono ataca de forma 

altamente selectiva determinadas moléculas orgánicas (compuestos aromáticos y 

aromáticos sustituidos, moléculas con insaturaciones ‐C=C‐, ‐C≡C‐, ‐C=N, ‐C=O, 

etc.)  e  incluso  puede  reaccionar  con  iones  simples  [63].  Por  otro  lado,  las 

reacciones  indirectas  son  las  reacciones  en  las  que  participan  los  radicales 

hidroxilo generados a partir de  la descomposición del ozono o de  su  reacción 

directa  con  algunas  especies  químicas  [82].  A  diferencia  de  las  reacciones 

directas,  las  reacciones  indirectas  vía  radicales  hidroxilo  son  muy  poco 

selectivas,  puesto  que  estas  especies  atacan  a  cualquier  tipo  de  compuesto 

oxidable presente en el agua [83]. La contribución de cada vía (reacción directa 

con el ozono o a través de los radicales •

HO   generados en su descomposición), 

dependerá de factores tales como la naturaleza de los contaminantes, el pH del 

medio y la dosis de ozono empleada, principalmente. 

En el tratamiento de aguas el ozono puede emplearse como desinfectante de 

agentes patógenos,  como  oxidante  clásico para  eliminar  iones  Fe(II)  y Mn(II), 

algas,  olores,  sabores,  contaminantes  orgánicos  como  pesticidas,  detergentes, 

fenoles y aminas, entre otros, y como tratamiento previo para mejorar la eficacia 

de  otras  unidades  de  operación  (coagulación,  floculación,  sedimentación, 

oxidación  biológica,  etc.)  [84].  Independientemente  de  la  finalidad  que  se 

persiga,  en  la  aplicación  del  ozono  en  el  tratamiento  de  aguas  se  distinguen 

cuatro  etapas  claramente  diferenciadas:  1)  generación  de  ozono  “in  situ”;  2) 

Page 48: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

32 

 

transferencia del ozono desde  la  corriente de gas a  la  fase acuosa; 3)  reacción 

química; y 4) eliminación del ozono residual del gas de salida dada su toxicidad.  

Tanto  en  fase  gas  como  en  disolución  acuosa  el  ozono  es  relativamente 

inestable. En agua destilada, a pH 7 y 20 °C los valores de vida media del ozono 

varían  entre  20  ‐  30 minutos  y  160 minutos,  aumentando  su  inestabilidad  en 

medio básico. Esto hace que no pueda almacenarse y distribuirse para su uso, 

por lo que debe ser generado en el momento de su empleo a partir de oxígeno 

molecular, según se indica en la reacción (1.11) [85]. 

  ‐12 33O 2O H 284,5 kJmol

  (1.11) 

Se trata de una reacción endotérmica y no espontánea (∆G° = 161,3 kJ mol‐1) 

[85], por lo que el ozono no solo no puede ser generado por activación térmica 

del  oxígeno,  sino  que  además  descompone  fácilmente  por  calentamiento.  El 

método  de  formación  de  ozono  de  mayor  aplicación  es  mediante  descarga 

eléctrica directa, generando radicales de oxígeno atómico que reaccionan con el 

oxígeno molecular y forman una molécula de ozono. También puede generarse 

mediante otros métodos electrolíticos o fotoquímicos. 

Por  otro  lado,  las  reacciones  del  ozono  pueden  desarrollarse  en  fase 

homogénea,  encontrándose  tanto  el  ozono  como  los  compuestos 

orgánicos/inorgánicos disueltos en agua, o en  fase heterogénea,  con aporte de 

ozono en fase gas, en cuyo caso hay que considerar la etapa de transferencia de 

materia gas‐líquido. La velocidad a la que se transfiera el ozono a la fase acuosa 

dependerá de las propiedades que influyen en la absorción del ozono tales como 

el pH, concentración de contaminante,  fuerza  iónica y  temperatura, por  lo que 

también  deben  considerarse  en  el  diseño  del  sistema.  Por  su  parte,  los 

parámetros  característicos  de  la  transferencia  de  materia  en  un  sistema  de 

ozonización  son  los  coeficientes  individual  y  volumétrico  de  transferencia  de 

materia (kL y kLa, respectivamente) y la constante de Henry del sistema, He, que 

expresa la relación de equilibrio entre la concentración de ozono en el seno del 

gas y su  solubilidad en agua, es decir,  la concentración de este en  la  interfase 

Page 49: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

33 

 

gas‐líquido. 

Una vez  transferido el ozono a  la  fase acuosa o de  forma simultánea a esta 

etapa  tienen  lugar  las distintas  reacciones,  entre  ellas  las  reacciones  indirectas 

por  la  acción  de  radicales  libres,  formados  en  las  etapas  de  iniciación  o 

propagación  de  las  reacciones  del  ozono  con  otros  compuestos  tales  como  el 

peróxido  de  hidrógeno  o  radiación  UV.  Así,  se  han  propuesto  varios 

mecanismos  de  descomposición  de  ozono  en  agua,  siendo  uno  de  los  más 

aceptados el desarrollado por Staehelin, Hoigné y Buhler (SHB) [86] (reacciones 

de (1.13) a (1.23)). El mecanismo se muestra a continuación incluyendo, además, 

las  reacciones directas del ozono y del  radical hidroxilo  con un  contaminante 

externo C (reacciones (1.12) y (1.24)). 

Reacción directa: 

  3 oxC zO C   (1.12) 

Reacciones indirectas: 

 ‐1 1k 70M s

3 2 2O HO HO O   (1.13) 

 6 ‐1 1k 2,2x0 M s ‐

3 2 3 2O HO O HO   (1.14) 

 pK 4,8

2 2HO H O

  (1.15) 

 9 ‐1 1k 1,6x10 M s

3 2 3 2O O O O   (1.16) 

 10 1 1

2 1

k 5x10 M s

3 3k 3,3x10 s

O H HO

  (1.17) 

 5 1k 1,1x10 s

3 2HO HO O   (1.18) 

5 1 1

7 1 1k 8,3x10 M s

o bien k 9,7x10 M s

2 2 2 2 2 2 2HO HO obienO O H H O O

  (1.19) 

 9 ‐1 1k 2x10 M s

3 2 2O HO HO O   (1.20) 

Page 50: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

34 

 

 pK 11,3

2 2 2H O HO H   (1.21) 

 7 ‐1 1k 2,7x10 M s

2 2 2 2H O HO HO H O   (1.22) 

 9 ‐1 1k 7 ,5x10 M s

2 2 2HO HO O H O   (1.23) 

  ox 2 2C HO C . . . CO H O   (1.24) 

En  estas  reacciones  pueden  participar,  a  su  vez,  una  serie  de  especies 

llamadas  iniciadoras,  promotoras  e  inhibidoras,  que  conducen  a  la 

descomposición  o  estabilización  del  ozono  en  agua  [87].  Las  sustancias 

iniciadoras,  que  como  su  propio  nombre  indica  inician  el  mecanismo  de 

descomposición  en  cadena,  son  aquellas  que  reaccionan  directamente  con  el 

ozono,  como  por  ejemplo  el  ion  hidroperóxido  ( 2HO)  que,  a  través  de  la 

reacción  (1.14), da  lugar  a  la  formación del  radical ozónido  ( •

3O   ) y  el  radical 

hidroperóxido  (•

2HO ) el cual, de acuerdo con  (1.15), se encuentra en equilibrio 

con el radical superóxido (•

2O  ). Este radical reacciona rápidamente con el ozono 

generando más radicales ozónido a través de (1.16). El  •

3O    formado a través de 

(1.14) y (1.16) promueve la aparición del radical  •

3HO  según el equilibrio (1.17) y, 

con ello, la formación de radicales hidroxilo a través de (1.18). Por su parte, las 

sustancias promotoras son compuestos orgánicos o  inorgánicos que reaccionan 

con  el  radical  hidroxilo  dando  lugar  al  radical  superóxido  o  hidroperóxido 

(dependiendo del pH del medio). Dichos  radicales •

2O  /

2HO   se  incorporan  al 

mecanismo  de  reacción  en  cadena  de  descomposición  del  ozono, 

promoviéndolo. Algunos promotores  son  el  ion  fosfato,  el metanol o  el  ácido 

fórmico. Finalmente, las sustancias inhibidoras son aquellas que reaccionan con 

el  radical hidroxilo y  terminan  con  las  reacciones  en  cadena,  es decir, no dan 

lugar al  radical hidroperóxido o  superóxido,  como por  ejemplo el  ter‐butanol, 

determinados  iones  como  carbonatos  y  bicarbonatos  o  ciertas  sustancias 

húmicas.  

Page 51: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

35 

 

En este tipo de sistemas hay que tener en cuenta que no todo el ozono en el 

gas de alimentación se transfiere al agua, existiendo un remanente en el gas de 

salida que, por  sus propiedades  tóxicas, no puede  liberarse directamente  a  la 

atmósfera  y  debe  ser  eliminado.  Para  ello,  las  plantas  de  tratamiento  que 

emplean ozono disponen de unos reactores catalíticos de  lecho  fijo a  través de 

los cuales se hace circular el gas de salida, destruyendo el ozono e  impidiendo 

así su emisión al exterior. 

Las reacciones directas entre  los contaminantes orgánicos y el ozono suelen 

ser de segundo orden (primer orden respecto a cada reactante). Aunque existen 

compuestos  refractarios  al  ozono,  como  es  el  caso  del  tricloroacetato  (kO3‐C  = 

3x10‐5 M‐1 s‐1), el ter‐butanol (kO3‐C = 3x10‐3 M‐1 s‐1), el etanol (kO3‐C = 0,37 M‐1 s‐1) o 

el benceno (kO3‐C = 2 M‐1 s‐1), entre otros [88], los compuestos que en su estructura 

presentan  insaturaciones o anillos aromáticos (y en especial si en estos últimos 

existen  sustituyentes  activantes  como  ocurre,  por  ejemplo,  con  los  fenoles), 

reaccionan de forma rápida con el ozono con valores de kO3‐C del orden de 102 ‐ 

107 M‐1  s‐1. Por  su parte,  las  reacciones  entre  los  contaminantes orgánicos y  el 

radical hidroxilo,  también de  segundo orden,  tienen  lugar  a velocidades muy 

superiores, con valores de kHO‐C comprendidos entre 107 ‐ 1010 M‐1 s‐1 [82]. 

Volviendo al conjunto de reacciones (1.12) a (1.24), es importante destacar el 

papel del peróxido de hidrógeno en el mecanismo de descomposición del ozono, 

tanto por reacción directa entre su forma iónica y el ozono molecular a través de 

(1.14),  actuando  como  iniciador,  como  en  la  captura  de  radicales  hidroxilo 

promoviendo  la  descomposición  mediante  (1.22)  y  (1.23).  Por  tanto,  la 

combinación de peróxido de hidrógeno y ozono constituye por sí sola un PAO, 

al  igual  que  la  combinación de  ion hidróxido  (HO‾)  y  ozono  (ozonización  en 

medio básico), según indica la reacción (1.13). 

Por otro lado, si el ozono es irradiado con luz UV suficientemente energética 

(longitudes de onda  inferiores a 310 nm), puede generarse oxígeno atómico en 

estado excitado  (O(1D)  (reacción  (1.25)), especie  capaz de generar peróxido de 

Page 52: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

36 

 

hidrógeno al reaccionar con el agua a través de (1.26) [89]. A su vez, la fotólisis 

del peróxido de hidrógeno  podría dar lugar a la formación del radical hidroxilo 

a  través de  la reacción  (1.27). Sin embargo, aunque el rendimiento cuántico de 

esta reacción en el intervalo de longitudes de onda de 200 ‐ 400 nm es elevado (1 

mol einstein‐1, [90]), la absortividad molar del H2O2 para valores de λ superiores 

a  310  nm  es  muy  débil,  inferior  a  0,51  M‐1  cm‐1  [91].  En  consecuencia,  el 

desarrollo de estas reacciones dependerá de la longitud de onda de la radiación 

empleada, de manera que a longitudes de onda superiores a 310 nm la reacción 

(1.27)  perderá  importancia  aunque  la  generación  de  peróxido  de  hidrógeno 

seguirá favoreciendo la descomposición del ozono igualmente.  

  h 310nm 1

3 2O O O D

  (1.25) 

  12 2 2O D H O H O   (1.26) 

  h 200 ‐ 280nm

2 2H O 2HO

  (1.27) 

Por su parte, el oxígeno atómico formado a través de (1.25) no solo es capaz 

de reaccionar con el agua (reacción (1.26), k = 1,8x1010 M‐1 s‐1), sino que presenta 

valores de k del orden de 109 ‐ 1010 M‐1 s‐1 con prácticamente todos los sustratos 

[92].  

Además de la formación de oxígeno atómico, hay evidencias de la aparición 

en fase gas de otros estados del oxígeno a través de 5 posibles vías, en función 

de la longitud de onda: 

  309nm 1 13 2 gO O D O

  (1.28) 

  3411nm 13 2 gO O D O

  (1.29) 

  31180nm 33 2 gO O P O

  (1.30) 

Page 53: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

37 

 

  1463nm 33 2 gO O P O

  (1.31) 

  612nm 3 13 2 gO O P O

  (1.32) 

En disolución acuosa estas reacciones también podrían ocurrir. A longitudes 

de  onda  inferiores  a  300 nm  los productos principales  son  el  estado  excitado 

(O(1D))  (con un  rendimiento cuántico próximo a 0,9 mol einstein‐1), el oxígeno 

singlete  (O2(1∆g)) y el oxígeno en  su estado  fundamental  (O2(3∑g‾))  (reacciones 

(1.28) y (1.29)) [93‐96]. En comparación, las reacciones (1.30) y (1.31) son menos 

importantes ya que el rendimiento cuántico de la fotólisis del ozono disminuye 

hasta valores cercanos a 0,1 mol einstein‐1 para longitudes de onda superiores a 

320 nm.  

En cuanto al oxígeno singlete, este puede reaccionar con el ozono y generar 

más especies atómicas: 

  1 32 g 3 2O O 2O O P   (1.33) 

El O(3P)  formado puede, a su vez, desaparecer por  reacción con el O2(3∑g‾) 

(reacción (1.34)) [97] o con el ozono (reacción (1.35), k ≈ 10‐3 M‐1 s‐1), aunque se ha 

comprobado que en el agua esta última reacción no tiene lugar [98]. 

  9 1 13 k 4x10 M s32 g 3O P O O

  (1.34) 

  33 2O P O 2O   (1.35) 

Finalmente,  cuando  el  ozono  está  presente  en  un  proceso  de  fotocatálisis 

heterogénea  tendrán  lugar,  además  de  los  mecanismos  de  reacción 

correspondientes a cada sistema por separado, otros mecanismos de generación 

de radicales por interacción entre los distintos sistemas. En este sentido, destaca 

el papel del ozono como captador de  los  e generados en  la fotoexcitación del 

semiconductor  con  formación  del  anión  radical  ozónido  (reacción  (1.36)), 

potenciando así las reacciones (1.17) y (1.18) y, con ello, la aparición de radicales 

Page 54: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

38 

 

•HO  [99,100]. 

  3 3e O O   (1.36) 

La  captura  de  los  e  por  parte  del  ozono  tiene  lugar  con  velocidades 

superiores a  las que presenta  el O2, de manera que mientras que  la  constante 

cinética de la reacción (1.36) a pH comprendido entre 4 y 6 es de 3,6x1010 M‐1 s‐1, 

en  el  caso  del O2  (reacción  (1.7))  esta  resulta  ser  de  1,76x1010 M‐1  s‐1  [67].  En 

consecuencia, en presencia de ozono el grado de recombinación de electrones y 

huecos  positivos  puede  verse  disminuido,  por  una  parte  gracias  a  la 

participación de (1.36) y, por otra, a una mayor contribución de la reacción (1.9) 

dada la mayor concentración esperada de H2O2 en el medio procedente tanto de 

las reacciones directas con ozono como de  la reacción (1.19) [101‐103]. Además 

de  lo  anterior,  en  presencia  de  oxígeno  y  ozono  el  ion  radical  superóxido, 

generado  tanto  en  la  fotocatálisis  como  en  la  descomposición  de  ozono 

(reacciones  (1.7),  (1.14) y  (1.15)), puede  reaccionar  con ozono y generar  el  ion 

radical  ozónido  a  través de  la  reacción  (1.16), desembocando  en  la  formación 

adicional de radicales hidroxilo.  

En  conclusión,  atendiendo  a  los  mecanismos  de  reacción  indicados  cabe 

esperar  la  existencia de  sinergia  entre  el  ozono  y  la  fotocatálisis heterogénea, 

dada  la  gran  cantidad  de  especies  oxidantes  formadas  y  la minimización  del 

proceso de recombinación de electrones y huecos.  

1.1.4. Optimización de los procesos fotocatalíticos: empleo de radiación solar y 

fotocatalizadores apropiados 

Uno  de  los principales  inconvenientes  a  los  que  se  enfrentan  los  procesos 

fotocatalíticos es el alto coste derivado del uso de lámparas UV. Por este motivo, 

el empleo de  radiación natural proveniente del sol en  reactores con un diseño 

adecuado supondría un ahorro energético considerable, minimizando los costes 

de operación asociados a este  tipo de  tratamientos  [69]. No obstante, hay que 

Page 55: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

39 

 

tener en cuenta que, a diferencia de la luz artificial, la intensidad de la radiación 

solar que  llega a  la superficie terrestre no es constante, sino que se ve afectada 

por  factores  meteorológicos,  varía  diaria  y  estacionalmente,  depende  de  la 

localización geográfica, etc. La interacción entre la radiación solar y los distintos 

componentes  atmosféricos  (O3, O2,  CO2, H2O,  aerosoles,  etc.)  provoca  que  la 

radiación que llega a la superficie de la tierra quede restringida a longitudes de 

onda comprendidas entre 300 y 3000 nm  [104]. De  toda esta radiación, un 5 % 

corresponde a la región ultravioleta (95% UVA y 5% UVB), un 46 % a la visible y 

un 49 % a la del infrarrojo cercano [105].  

Los resultados de las investigaciones sobre el uso de luz solar en los procesos 

fotocatalíticos  de  detoxificación  de  aguas,  iniciada  en  los  años  90  en  la 

Plataforma  Solar de Almería  [106],  reflejan  la  eficacia de  estos procesos  en  la 

degradación de compuestos en agua, siendo el proceso Fenton y la fotocatálisis 

heterogénea los tratamientos más estudiados. Ambos sistemas se han ensayado 

con éxito para la eliminación de multitud de contaminantes, muchos de ellos no 

biodegradables  y/o  que  por  su  toxicidad  pueden  impedir  el  correcto 

funcionamiento de los tratamientos biológicos [69,107,108]. En los últimos años, 

la problemática  asociada  a  los  contaminantes  emergentes ha dado  lugar  a un 

aumento significativo en el número de estudios sobre su eliminación mediante 

detoxificación solar [37,109‐112]. En el caso concreto del proceso de ozonización 

fotocatalítica solar, estudios recientes  informan del éxito de su aplicación en  la 

degradación de diversos contaminantes emergentes en agua [78,113‐118]. 

En  cuanto  a  los  catalizadores,  existen diversos materiales  semiconductores 

tales  como  TiO2,  ZnO,  CdS,  FexOy,  WO3,  CeO2,  etc.  Se  trata  de  materiales 

económicamente asequibles que, en su mayoría, pueden excitarse con radiación 

de no muy alta energía (UVA e incluso visible), lo que incrementa el interés en 

su empleo en procesos de detoxificación solar. En la Figura 1.5 se muestran las 

posiciones de la banda de conducción y de valencia de varios semiconductores, 

a partir de las cuales es posible deducir su energía del salto de banda (Eg). 

Page 56: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

40 

 

5

4

3

2

1

0

-1

-2g-C3N4

1,80

-0,90 -0,40

CdS 2,00

-0,75

2,65

0,79

-Fe2O3 2,99

3,47

WO3 0,77

3,75

CeO2

3,13

-0,07

ZnO 3,41

0,21 -0,16

︵rutilo ︶

TiO2

3,04

0,04

pH=0

V vs. ENH

H2O/HO·Eº = +2,73 V

Eº = +0,08 V O2/·O2-

︵anatasa ︶

TiO2

3,04

SnO2

0,25

 

Figura  1.5.  Posiciones  de  banda  (arriba  BV  y  abajo  BC)  de  varios  semiconductores 

(adaptado de [128]). 

En  los  últimos  30  años,  el  dióxido  de  titanio  (TiO2)  en  forma  de  polvo 

policristalino  ha  sido  el  semiconductor  empleado  por  excelencia  en  la 

investigación de la descontaminación de aguas mediante procesos fotocatalíticos 

debido a su actividad, bajo coste, estabilidad y no toxicidad [69,113,119‐121]. El 

producto  comercial  más  conocido  es  el  dióxido  de  titanio  P25  de  Degussa 

(actualmente Evonik Degussa), constituido por un 20 % de rutilo y un 80 % de 

anatasa, siendo esta última la fase cristalina más activa en fotocatálisis. Posee un 

área  superficial  específica de  50  ±  15 m2  g‐1  y un  tamaño medio de partícula 

cristalina de  20  a  40 nm  [122]. Este material ha  resultado  ser uno de  los más 

activos en  la degradación  fotocatalítica de  contaminantes del agua empleando 

diferentes  fuentes de  radiación ultravioleta  [123‐125]. En  lo que  respecta  a  su 

empleo  en  la degradación de  compuestos mediante ozonización  fotocatalítica, 

distintos trabajos ponen de manifiesto su efectividad [78,79,117,118,126,127]. 

Sin embargo, el TiO2 presenta varios inconvenientes para su aplicación a gran 

escala  empleando  luz  solar.  El  principal  de  ellos  es  que  al  corresponder  su 

energía del salto de banda (3,0 ‐ 3,2 eV) con longitudes de onda de 387 ‐ 410 nm, 

la  energía  del  espectro  solar  que  puede  aprovecharse  se  ve  reducida 

aproximadamente a un 5 % de la radiación que llega a la Tierra, concretamente a 

Page 57: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

41 

 

la  fracción  UV  [69,129].  A  esto  se  suma  la  dificultad  de  reutilización  del 

catalizador  en polvo debido a  la difícil  separación del  líquido y, además, una 

alta capacidad de recombinación. Como se ha comentado en párrafos anteriores, 

esto último podría minimizarse mediante  el  empleo de  ozono  como  oxidante 

[69,79,80].  

Actualmente se están estudiando distintas estrategias que permitan solventar 

o  reducir  los  problemas  anteriores.  En  cuanto  al  aprovechamiento  de  la 

radiación  solar, existen otros  semiconductores alternativos al TiO2 que, por su 

salto de banda, son aplicables bajo luz solar. Entre ellos se encuentran el óxido 

de zinc (ZnO) y el sulfuro de cadmio (CdS)  [129], si bien en disolución acuosa 

estos catalizadores han presentado algunos problemas de  lixiviación del catión 

metálico al medio por efectos de fotocorrosión [129].  

El óxido de wolframio (WO3), presenta también un salto de banda menor que 

el TiO2 (2,4 ‐ 2,8 eV) que permite la absorción de radiación visible. Además, su 

fácil  preparación,  toxicidad  nula  y  su  estabilidad  en  procesos  de  oxidación 

fotocatalíticos  hacen  de  este  semiconductor  un  buen  candidato  frente  al 

fotocatalizador tradicional [130‐133]. Sin embargo, dado que el nivel energético 

de  su  banda  de  conducción  es  más  positivo  que  el  nivel  de  reducción  del 

oxígeno  (ver  Fig.  1.5),  este  semiconductor  por  sí  solo  no  resulta  eficiente  en 

fotocatálisis empleando oxígeno, al carecer este último del potencial  suficiente 

para capturar de forma eficaz los electrones y evitar la recombinación electrón‐

hueco [130,131]. Sin embargo el ozono, que posee un mayor poder oxidante, sí es 

capaz de reaccionar rápidamente con  los electrones de  la banda de conducción 

del  WO3  y,  por  tanto,  este  material  sí  resulta  eficiente  en  el  proceso  de 

ozonización fotocatalítica como ya han demostrado los estudios de Nishimoto et 

al. [134,135]. 

Por  otra  parte,  el  óxido  de  cerio  (CeO2)  es  un  semiconductor  que  puede 

absorber radiación en el ultravioleta cercano e  incluso  ligeramente en  la región 

del  visible  ya  que,  en  función  de  la morfología  y  el  tamaño  de  partícula  del 

Page 58: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

42 

 

semiconductor, presenta un salto de banda que varía entre 2,9 y 3,2 eV [136‐138]. 

Además,  los  pares  electrón‐hueco  fotogenerados  poseen  una  vida  útil  lo 

suficientemente  larga  como para desencadenar  reacciones  fotocatalíticas  tanto 

en fase líquida como en fase gas [139].  

El CeO2  se ha utilizado como  fotocatalizador en  la degradación numerosos 

contaminantes orgánicos en agua [137,140‐143]. Los trabajos realizados ponen de 

manifiesto, como se ha indicado anteriormente, la importancia de la morfología 

y del tamaño de partícula en su comportamiento como fotocatalizador. Por otra 

parte,  el CeO2 ha  resultado  activo  en  la  ozonización  catalítica de  compuestos 

orgánicos de diferente naturaleza  [144‐146]. Dada  la eficiencia de  los procesos 

individuales  de  fotocatálisis  y  ozonización  catalítica  empleando  CeO2,  es  de 

esperar  un  efecto  sinérgico  en  el  proceso  combinado  de  ozonización 

fotocatalítica, si bien no existe hasta la fecha ningún estudio al respecto. 

Además  del  empleo  de  semiconductores  distintos  del  TiO2,  otra  posible 

estrategia  para  mejorar  la  absorción  en  el  visible  es  sintetizar  materiales 

compuestos  de  dos  semiconductores,  por  lo  general  acoplando  al  TiO2  un 

semiconductor con una energía del salto de banda menor que la suya [69]. Así, 

por ejemplo, al ser la banda de conducción del WO3 menos negativa que la del 

TiO2  los electrones pueden  transferirse desde  la banda del TiO2 a  la del WO3, 

produciéndose una separación de cargas electrón/hueco más efectiva y evitando 

así en cierta medida el proceso de recombinación [147,148]. En  la Figura 1.6 se 

muestra un esquema del proceso fotocatalítico que tendría  lugar en el material 

compuesto TiO2‐WO3.  

Este  tipo  de materiales  se  ha  aplicado  en  la  eliminación  fotocatalítica  de 

distintos compuestos en agua, demostrando tener una actividad superior al TiO2 

bajo  radiación  visible  [149,150].  Sin  embargo,  no  existen  estudios  sobre  su 

aplicación en el proceso de ozonización fotocatalítica. 

Page 59: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

43 

 

 

Figura 1.6. Proceso de excitación en el sistema fotocatalítico TiO2‐WO3 (adaptada de [69]). 

Por otra parte, en los últimos años existe un interés creciente por controlar la 

morfología  de  los  fotocatalizadores  a  niveles  nanométricos.  Si  se  les  da  otra 

forma y otro  tamaño, es decir,  si  se modifican  sus dimensiones, es de esperar 

que  varíen  sus  propiedades  fotocatalíticas.  Se  trata  de  intentar  obtener  un 

semiconductor con una mayor relación área superficial/volumen para aumentar 

con  ello  la  eficiencia  fotocatalítica. A modo  de  ejemplo,  el  TiO2  en  forma  de 

nanotubos  ha  demostrado  poseer  una  alta  superficie  específica,  una  estrecha 

distribución de  tamaño de poro, unas propiedades electrónicas que mejoran el 

transporte  de  carga  y  una  alta  capacidad  de  intercambio  iónico  [151].  Todas 

estas  propiedades  pueden  favorecer  de  una  forma  u  otra  su  actividad 

fotocatalítica. Los nanotubos de  titanio pueden  sintetizarse mediante diversos 

métodos, llegándose a conseguir áreas específicas de hasta 500 m2 g‐1 [151‐153]. 

En  cuanto  a  la  estructura  cristalina  de  los  nanotubos,  en  función  de  las 

condiciones  de  síntesis  se  ha  encontrado  la  forma  tetragonal  anatasa  [153]  y 

también otras  estructuras monoclínicas u ortorrómbicas  [154,155]. Aunque  los 

resultados obtenidos empleando nanotubos de TiO2 como  fotocatalizadores en 

el  tratamiento  de  aguas  (utilizando  colorantes  como  compuesto  a  degradar 

Page 60: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

44 

 

[151]),  no  han  sido muy  prometedores,  sí  son  interesantes  como  soporte  de 

distintas  nanopartículas  metálicas  u  otros  semiconductores  [156].  En  lo  que 

respecta  a  su  aplicación  en  ozonización  fotocatalítica  hasta  la  fecha  se  ha 

publicado un único trabajo [157]. 

Por  último,  es  posible  favorecer  la  recuperación  y  reutilización  de  los 

catalizadores  mediante  la  síntesis  de  materiales  soportados,  si  bien  el 

fotocatalizador pierde eficiencia al disminuir  la superficie activa  [69]. Entre  los 

soportes  comúnmente  utilizados  se  encuentran  la  sílice,  vidrios  de  distinta 

morfología, algunos polímeros y membranas poliméricas, carbón activado, etc. 

[158]. Una estrategia muy atractiva que se está investigando en los últimos años 

es  soportar  el  catalizador  (TiO2 generalmente)  sobre partículas magnéticas, ya 

sean  nanopartículas  de  magnetita  [159,160]  o  carbón  activado  magnetizado 

[78,161,162],  lo  que permite  separar  el  catalizador mediante un  imán  externo. 

Los materiales carbonosos  introducen, además,  las propiedades adicionales del 

carbón  tales  como  una  alta  superficie  específica  y  gran  volumen  de  poros, 

proporcionando una elevada capacidad de adsorción de compuestos orgánicos 

[162,163].  Asimismo,  se  ha  demostrado  que  algunos  materiales  carbonosos 

podrían actuar donando electrones al semiconductor, inhibiendo los procesos de 

recombinación [164].  

Aunque  todas  estas  alternativas  se  han  desarrollado  y  aplicado  en  la 

oxidación  fotocatalítica  de  distintos  contaminantes,  la  bibliografía  sobre  su 

aplicación  en  la  ozonización  fotocatalítica  es  escasa.  Por  ello,  el  trabajo  que 

recoge  esta memoria  de  Tesis  persigue  el  desarrollo  de materiales  activos  y 

estables, con vistas a su aplicación en la eliminación de compuestos emergentes 

en las aguas mediante ozonización fotocatalítica empleando luz solar.  

1.2. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO 

Dada  la  preocupación  mundial  por  la  presencia  de  contaminantes 

emergentes en los ecosistemas acuáticos, esta investigación tiene como objetivo 

principal  contribuir  al  desarrollo  de  estrategias  más  eficientes  para  su 

Page 61: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

45 

 

degradación. Se pretende, además, que  los posibles procesos a aplicar resulten 

atractivos desde el punto de vista económico, empleando para ello  la  luz solar 

como  fuente  de  radiación  y  sintetizando  fotocatalizadores  que  permitan  un 

mayor aprovechamiento de la misma.  

El trabajo de Tesis se ha centrado en el proceso de ozonización fotocatalítica, 

si bien ha sido necesaria la aplicación de otros sistemas con fines comparativos 

(fotólisis, ozonización, ozonización fotolítica, adsorción, oxidación fotocatalítica 

y  ozonización  catalítica).  Todos  los  ensayos  se  han  realizado  a  escala  de 

laboratorio,  empleando  luz  solar  simulada  y  fotocatalizadores  apropiados 

previamente sintetizados y/o comerciales. 

Para  lograr  el  objetivo  general  del  presente  trabajo,  se  han  planteado  los 

siguientes objetivos específicos: 

OBJETIVO  1:  Evaluar  y  comparar  la  producción  de  especies  oxidantes 

fotogeneradas  durante  los  procesos  de  fotocatálisis  y  de  ozonización 

fotocatalítica,  determinando  el  rendimiento  cuántico  de  ambos  procesos  con 

vistas a establecer la sinergia entre el ozono y el proceso de fotocatálisis. 

OBJETIVO  2:  Preparar  y  caracterizar  fotocatalizadores  que  puedan  ser 

fotoexcitados bajo radiación solar, así como mejorar el aprovechamiento de esta 

radiación  por  parte  del  fotocatalizador  más  comúnmente  utilizado,  TiO2, 

sintetizando  materiales  compuestos,  evaluando  el  efecto  de  las  distintas 

variables  de  síntesis  a  fin  de  encontrar  las  formulaciones  óptimas  para  su 

empleo en procesos de ozonización fotocatalítica solar. 

OBJETIVO 3: Estudiar la degradación de distintos contaminantes emergentes  en 

agua  mediante  ozonización  fotocatalítica  con  luz  solar,  empleando  los 

catalizadores preparados.  

OBJETIVO  4: Desarrollar  un modelo  cinético  para  el  proceso  de  ozonización 

fotocatalítica solar en base a la identificación de los intermedios de degradación 

Page 62: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

46 

 

de  un  compuesto  modelo  y  de  las  principales  especies  involucradas  en  el 

proceso. 

1.3. ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA 

Este  trabajo  de  Tesis  se  estructura  en  9  capítulos.  En  este  primero  se  ha 

introducido  el  trabajo  y  se  han definido  los  objetivos del mismo. El  segundo 

capítulo está destinado a las  instalaciones y técnicas experimentales empleadas 

durante  la  investigación.  En  los  siguientes  capítulos  se  presentan,  como  una 

colección  de  artículos  de  investigación  ya  publicados  en  revistas  científicas 

internacionales, los resultados de los estudios realizados para la consecución de 

los objetivos propuestos. Dichos capítulos son los siguientes: 

‐ Capítulo  3:  On  ozone‐photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced 

reactions: Oxidizing species production  in photocatalytic ozonation versus 

heterogeneous photocatalysis.  

‐ Capítulo  4:  Influence  of  structural  properties  on  the  activity  of  WO3 

catalysts for visible light photocatalytic ozonation.  

‐ Capítulo 5: Visible  light photocatalytic ozonation of DEET  in  the presence 

of different forms of WO3.  

‐ Capítulo 6: Nanostructured CeO2 as catalysts  for different AOPs based  in 

the application of ozone and simulated solar radiation.  

‐ Capítulo  7: WO3‐TiO2  based  catalysts  for  the  simulated  solar  radiation 

assisted photocatalytic ozonation of emerging contaminants in a municipal 

wastewater treatment plant effluent.  

‐ Capítulo 8: Reaction mechanism and kinetics of DEET visible light assisted 

photocatalytic ozonation with WO3 catalyst. 

Finalmente, en el  capítulo 9  se  indican  las  conclusiones más  relevantes del 

estudio realizado.  

Page 63: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

47 

 

BIBLIOGRAFÍA 

[1]  www.unex.es/investigacion/grupos/trataguas  (consultada  en  febrero  de 

2017). 

[2]  Radovic,  L.R.; Moreno‐Castilla;  C.;  Rivera‐Utrilla;  J.  “Carbon materials  as 

adsorbents  in  aqueous  solutions”  en:  “Chemistry  and  Physics  of  Carbon”. 

Radovic L.R.; Dekker M. (eds.), New York (2000), 27, 227‐403.  

[3]  Sánchez‐Vila,  X.  en  “Aguas  continentales:  Gestión  de  recursos  hídricos, 

tratamiento  y  calidad  del  agua”.  Informes  CSIC,  D.  Barceló  (coord.),  CSIC, 

Madrid (2008), Cap. 2. 

[4] Li, C.; Goswami, Y.; Stefanakos, E. “Solar assisted sea water desalination: A 

review”. Renew. Sust. Energy Rev. 19 (2013) 136‐163.  

[5] Xiao, C.; Wang, X.; Ni, M.; Wang, F.; Zhu, W.; Luo, Z.; Cen, K. “A review on 

solar stills for brine desalination”. Appl. Energy 103 (2013) 642‐652.  

[6] www.aysa.com.ar/index.php?id_contenido=323&id_seccion=0 (consultada en 

febrero de 2017). 

[7] Carrera, J. en “Aguas continentales: Gestión de recursos hídricos, tratamiento 

y  calidad del agua”.  Informes CSIC, D. Barceló  (coord.), CSIC, Madrid  (2008), 

Cap. 1.  

[8]  www.unesco.org/new/es/natural‐sciences/environment/water/wwap/facts‐

and‐figures/all‐facts‐wwdr3/fact1‐demographics‐consumption/  (consultada  en 

febrero de 2017). 

[9]  Blanco,  J.;  Malato,  S.;  Fernández‐Ibáñez,  P.;  Alarcón,  D.;  Gernjak,  W.; 

Maldonado,  M.I.  “Review  of  feasible  solar  energy  applications  to  water 

processes”. Renew. Sust. Energy Rev. 13 (2009) 1437‐1445.  

[10]  Informe  de  las  Naciones  Unidas  sobre  el  Desarrollo  de  los  Recursos 

Hídricos  en  el  Mundo:  Agua  y  Empleo  (2016). 

unesdoc.unesco.org/images/0024/002441/244103s.pdf  (consultada  en  febrero  de 

2017). 

[11]  Barros,  R.;  Isidoro,  D.;  Aragüés,  R.  “Irrigation  management,  nitrogen 

fertilization  and  nitrogen  losses  in  the  return  flows  of  La  Violada  irrigation 

district (Spain)”. Agr. Ecosyst. Environ. 155 (2012) 161‐171.  

[12]  Wasi,  S.;  Tabrez,  S.;  Ahmad,  M.  “Toxicological  effects  of  major 

environmental  pollutants:  an  overview”.  Environ.  Monit.  Assess.  185  (2013) 

2585‐2593. 

[13]   Osorio,  F.;  Torres,  J.C.;  Sánchez, M.  en  “Tratamiento  de  aguas  para  la 

Page 64: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

48 

 

eliminación de microorganismos y agentes  contaminantes”. Ediciones Díaz de 

Santos, Madrid (2010).  

[14]  Klavarioti,  M.;  Mantzavinos,  D.;  Kassinos,  D.  “Removal  of  residual 

pharmaceuticals  from  aqueous  systems  by  advanced  oxidation  processes”. 

Environ. Int. 35 (2009) 402‐417. 

[15] Bayo, I.F.; Angulo, E. “Gota a gota”. Química e Industria 582 (2009) 16‐24.  

[16]  Directiva  2000/60/CE  del  Parlamento  Europeo  y  del  Consejo,  de  23  de 

octubre de 2000 por la que se establece un marco comunitario de   actuación en 

el ámbito de la política de aguas. 

[17]  Directiva  2008/105/CE  del  Parlamento  Europeo  y  del  Consejo,  de  16  de 

diciembre de 2008, relativa a las normas de calidad ambiental en el ámbito de la 

política de aguas, por la que se modifica la Directiva 2000/60/CE. 

[18]  Directiva  2013/39/UE  del  Parlamento  Europeo  y  del  Consejo,  de  12 de 

agosto de 2013 , por la que se modifican las Directivas 2000/60/CE y 2008/105/CE 

en cuanto a las sustancias prioritarias en el ámbito de la política de aguas. 

[19] Decisión nº 2455/2001/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 20 de 

noviembre de 2001, por la que se aprueba la lista de sustancias prioritarias en el 

ámbito de la política de aguas, y por la que se modifica la Directiva 2000/60/CE.  

[20]  Esplugas,  S.;  Bila,  D.M.;  Krause,  L.G.T.;  Dezotti,  M.  “Ozonation  and 

advanced  oxidation  technologies  to  remove  endocrine  disrupting  chemicals 

(EDCs)  and  pharmaceuticals  and  personal  care  products  (PPCPs)  in  water 

effluents”. J. Hazard. Mater. 149 (2007) 631‐642. 

[21]  www.mapama.gob.es/es/cartografia‐y‐sig/ide/descargas/agua/red‐

programa‐control.aspx (consultada en febrero de 2017). 

[22]  Decisión de Ejecución (UE) 2015/495 de la Comisión de 20 de marzo de 2015 

por  la  que  se  establece  una  lista  de  observación  de  sustancias  a  efectos  de 

seguimiento  a  nivel  de  la  Unión  en  el  ámbito  de  la  política  de  aguas,  de 

conformidad  con  la  Directiva  2008/105/CE  del  Parlamento  Europeo  y  del 

Consejo. 

[23]  Díaz‐Cruz,  M.S.;  García‐Galán,  M.J.;  Guerra,  P.;  Jelic,  A.;  Postigo,  C.; 

Eljarrat, E.;  Farré, M.; López de Alda, M.J.; Petrovic, M.; Barceló, D. “Analysis of 

selected  emerging  contaminants  in  sewage  sludge”.  Trends  Anal.  Chem.  28 

(2009) 1263‐1275.  

[24] Rodríguez‐Mozaz,  S.;  López  de Alda, M.J.;  Barceló, D.  “Advantages  and 

limitations of on‐line solid phase extraction coupled to liquid chromatography‐

mass  spectrometry  technologies versus biosensors  for monitoring of emerging 

Page 65: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

49 

 

contaminants in wáter”. J. Chromatogr. A 1152 (2007) 97‐115.  

[25] Karthikeyan, K.G; Meyer, M.T.  “Occurrence  of  antibiotics  in wastewater 

treatment facilities in Wisconsin, USA”. Sci. Total Environ. 361 (2006) 196‐207. 

[26] Lishman, L.; Smyth, S. A.; Sarafin, K.; Kleywegt, S.; Toito, J.; Peart, J.; Lee, B.; 

Servos, M.; Beland, M.; Seto, P. “Occurrence and reductions of pharmaceuticals 

and personal  care products and estrogens by municipal wastewater  treatment 

plants in Ontario, Canada”. Sci. Total Environ. 367 (2006) 544‐558.  

[27]  Rosal,  R.;    Rodríguez, A.;  Perdigón‐Melón,  J.A.; Mezcua, M.; Hernando, 

M.D.; Letón, P.; García‐Calvo, E.; Agüera, A.; Fernández‐Alba, A.R.   “Removal 

of  pharmaceuticals  and  kinetics  of mineralization  by O3/H2O2  in  a  biotreated 

municipal wastewater.” Water Res.  42 (2008) 3719‐3728.  

[28] Rosal, R.; Rodríguez, A.; Perdigón‐Melón, J.A.; Petrea, A.; García‐Calvo, E.;  

Gómez,  M.J.;  Agüera,  A.;  Fernández‐Alba,  A.R.  “Occurrence  of  emerging 

pollutants in urban wastewater and their removal through biological treatment 

followed by ozonation”. Water Res. 44 (2010) 578‐588.  

[29]  Rodríguez‐Gil,  J.L.;  Catalá, M.;  González  Alonso,  S.;  Romo Maroto,  R.; 

Valcárcel, Y.; Segura, Y.; Molina, R.; Melero,  J.A.; Martínez, F. “Heterogeneous 

photo‐Fenton  treatment  for  the  reduction  of  pharmaceutical  contamination  in 

Madrid  rivers  and  ecotoxicological  evaluation  by  a miniaturized  fern  spores 

bioassay”. Chemosphere 80 (2010) 381‐388.  

[30]  Kasprzyk‐Hordern,  B.;  Dinsdale,  R.M.; Guwy,  A.J. “The  removal  of 

pharmaceuticals, personal care products, endocrine disruptors and  illicit drugs 

during  wastewater  treatment  and  its  impact  on  the  quality  of  receiving 

waters”. Water Res., 43 (2009) 363‐380.  

[31] Hazelton, P.D.; Cope, W.G.; Mosher, S.; Pandolfo, T.J.; Belden, J.B.; Barnhart, 

M.C.;  Bringolf,  R.B.  “Fluoxetine  alters  adult  freshwater mussel  behavior  and 

larval metamorphosis”. Sci. Total Environ. 445‐446 (2013) 94‐10.  

[32]  Ikehata,  K.;  Jodeiri  Naghashkar,  N.;  Gamal  El‐Din, M.  “Degradation  of 

aqueous  pharmaceuticals  by  ozonation  and  advanced  oxidation  processes: A 

review”. Ozone Sci. Eng. 6 (2006) 353‐414. 

[33] Oulton, R.L.; Kohn, T.; Cwiertny, D.M. “Pharmaceuticals and personal care 

products  in effluent matrices: A survey of  transformation and  removal during 

wastewater  treatment  and  implications  for  wastewater  management”.  J. 

Environ. Monit. 12 (2010) 1956‐1978. 

[34]  Verlichi,  P.;  Al  Aukidy, M.;  Zambello,  E.  “Ocurrence  of  pharmaceutical 

compounds  in urban wastewater:  removal, mass  load  and  environmental  risk 

Page 66: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

50 

 

after a secondary treatment ‐ A Review”. Sci. Total Environ. 429 (2012) 123‐155. 

[35]  Xu,  J.;  Wu,  L.;  Chang,  A.C.  “Degradation  and  adsorption  of 

selectedpharmaceuticals  and  personal  care  products  (PPCPs)  un  agricultural 

soils”. Chemosphere 77 (2009) 1299‐1305. 

[36] Petrovic, M.; González, S.; Barceló, D. “Analysis and removal of emerging 

contaminants in wastewater and drinking water”. Trends Anal. Chem.  22 (2003) 

685‐696. 

[37]  Bernabeu,  A.;  Vercher,  R.F.;  Santos‐Juanes,  L.;  Simón,  P.J.;  Lardín,  C.; 

Martínez, M.A.; Vicente,  J.A.; González, R.; Llosá, C.; Arques, A.; Amat, A.M. 

“Solar photocatalysis as a tertiary treatment to remove emerging pollutants from 

wastewater treatment plant effluents”. Cat. Today 161 (2010) 235‐240.   

[38] Muñoz, I.; López‐Doval, J.C.; Ricart, M.; Villagrasa, M.; Brix, R.; Geiszinger, 

A.; Ginebreda, A.; Guasch, H.; López De Alda, M.J.; Romani, A.M.; Sabater, S.; 

Barceló, D. “Bridging  levels of pharmaceuticals  in River water with biological 

community structure  in  the Llobregat River basin  (Northeast Spain)”. Environ. 

Toxicol. Chem. 28 (2009) 1706‐2714.  

[39]   Pomati, F.; Castigloni, S.; Zuccato, E.; Fanelli, R.; Vigetti, D.; Rossetti, C.; 

Calamari,  D.  “Effects  of  a  complex  mixture  of  therapeutic  drugs  at 

environmental  levels  on  human  embryonic  cells”.  Environ.  Sci.  Technol.  40 

(2006) 2442‐2447. 

[40]  Zegura,  B.; Heath,  E.;  Cernosa, A.;  Filipic, M.  “Combination  of  in  vitro 

bioassays  for  the  determination  of  cytotoxic  and  genotoxic  potential  of 

wastewater, Surface water and drinking water samples”. Chemosphere 75 (2009) 

1453‐1460.  

[41]  Muñoz,  I.;  Rodríguez,  A.;  Rosal,  R.;  Fernández‐Alba,  A.R.  “Life  Cycle 

Assessment of urban wastewater reuse with ozonation as  tertiary  treatment. A 

focus on toxicity‐related impacts”. Sci. Total Environ. 407 (2009) 1245‐125. 

[42]  www.abc.es/hemeroteca/historico‐26‐10‐2005/abc/Sociedad/el‐rio‐llobregat‐

tiene‐contaminantes‐que‐da%C3%B1an‐el‐sistema‐reproductor‐de‐los‐

peces_611832583748.html (consultada en febrero de 2017)‐ 

[43]  usatoday30.usatoday.com/news/nation/2008‐03‐10‐drugs‐tap‐water_N.htm 

(consultada en febrero de 2017). 

[44]  elpais.com/diario/2009/10/28/sociedad/1256684408_850215.html  (consultada 

en febrero de 2017). 

[45]    www.abc.es/sociedad/20121126/abci‐trazas‐nicotina‐agua‐embotellada‐

201211261705.html  (consultada en febrero de 2017). 

Page 67: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

51 

 

[46]  http://www.lavanguardia.com/vida/20150417/54429985933/delfines‐del‐

estrecho‐de‐gibraltar‐acumulan‐contaminantes‐nocivos‐para‐salud.html 

(consultada en febrero de 2017). 

[47]  Directiva 91/271/CEE del  Consejo,  de  21  de  mayo  de  1991,  sobre  el 

tratamiento de las aguas residuales urbanas.  

[48]  www.mapama.gob.es/es/agua/planes‐y‐estrategias/ 

PlanNacionalCalidadAguas_tcm7‐29339.pdf (consultada en febrero de 2017). 

[49]  www.iagua.es/noticias/espana/dbk/16/05/18/negocio‐depuracion‐aguas‐

alcanza‐1230‐millones‐2015 (consultada en febrero de 2017). 

[50]www.observatoriosostenibilidad.com/documentos/SOS16_v23_PDF_final.pd

f (consultada en febrero de 2017).  

[51]  Prat,  N.;  Rieradevall, M.;  Barata,  C.; Munné,  A.  “The  combined  use  of 

metrics of biological quality and biomarkers  to detect  the  effects of  reclaimed 

water  on  macroinvertebrate  assemblages  in  the  lower  part  of  a  polluted 

Mediterranean river (Llobregat River, NE Spain)”. Ecol. Indic. 24 (2013) 167‐176.  

[52]  Real  Decreto  1620/2007,  de  7  de  diciembre,  por  el  que  se  establece  el 

régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas. 

[53]  http://www.mapama.gob.es/es/calidad‐y‐evaluacion‐ambiental/ 

participacion‐publica/pp_2009p006.aspx (consultada en febrero de 2017). 

[54]  www.i‐ambiente.es/?q=blogs/aspectos‐considerar‐en‐la‐reutilizacion‐de‐

aguas‐depuradas‐para‐riego (consultada en febrero de 2017).  

[55] Scott, T.M.; MccLaughlin, M.R.; Harwood, V.J.; Chivukula, V.; Levine, A.; 

Gennaccaro, A.; Lukasick,  J.;  Farrah,  S.R.; Rose,  J.B.  “Reduction of pathogens, 

indicator  bacteria,  and  alternative  indicators  by  wastewater  treatment  and 

reclamation processes”. Water Sci. Technol. Water Supply 3 (2003) 247‐252.  

[56]  Fatta‐kassinos, D.;  Kalavrouziotis,  I.K.;  Koukoulakis,  P.H.; Vasquez, M.I. 

“The  risks  associated  with  wastewater  reuse  and  xenobiotics  in  the 

agroecological environment”. Sci. Total Environ. 409 (2011) 3555‐3563. 

[57]   Wu, C.; Spongberg, A.L.; Witter, J.D.; Fang, M.; Czajkowski, K.P. “Uptake 

of  pharmaceutical  and  personal  care  products  by  soybean  plants  from  soils 

applied with  biosolids  and  irrigated with  contaminated”. Water Environ.  Sci. 

Technol. 44 (2010) 6157‐6161.  

[58] Wang, J.; Wang, S. “Removal of pharmaceuticals and personal care products 

(PPCPs) from wastewater: A review”. J. Environ. Manage. 182 (2016) 620‐640. 

[59] Glaze, W. H.; Kang, J.W.; Chapin, D.H. “The chemistry of water treatment 

Page 68: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

52 

 

processes involving ozone, hydrogen peroxide and ultraviolet radiation”. Ozone 

Sci. Eng. 9 (1987) 335‐352. 

[60]  Andreozzi,  R.;  Caprio,  V.;  Insola,  A.; Marotta,  R.  “Advanced  oxidation 

processes (AOP) for water purification and recovery”. Catal. Today 53 (1999) 51‐

59. 

[61]  Augugliaro,  A.;  Litter, M.;  Palmisano,  L:  Soria,  J.  “The  combination  of 

heterogeneous photocatalysis with chemical and physical operations: A tool for 

improving  the  photoprocess  performance”.  J.  Photochem.  Photobiol.  C 

Photochem. Rev. 7 (2006) 127‐144. 

[62] Domènech, X.; Jardim, W.F.; Litter, M.I. “Procesos avanzados de oxidación 

para la eliminación de contaminantes”. CNEA‐CAC‐UAQ #95‐Q‐03‐05 (2005). 

[63]  Gogate  P.R.;  Pandit  A.B.  “A  review  of  imperative  technologies  for 

wastewater  treatment  I:  oxidation  technologies  at  ambient  conditions”.  Adv. 

Env. Res. 8 (2004) 504‐551. 

[64]  Beltrán,  F.J.;  Aguinaco,  A.;  García‐Araya,  J.F;  Oropesa,  A.  “Ozone  and 

photocatalytic processes to remove the antibiotic sulfamethoxazole from water”. 

Water Res. 42 (2008) 3799‐3808. 

[65]  Esplugas  S.;  Giménez  J.;  Contreras  S.;  Pascual  E.;  Rodríguez  M. 

“Comparison  of  different  advanced  oxidation  processes  for  phenol 

degradation”.  Water Res. 36 (2002) 1034‐1042. 

[66]  J. Plotnikow.   Zeitschrift  fur  Phisikalische  chemie‐Stochiometrie  und 

verwandtschaftslehre 75 (1910) 337‐356. 

[67]  Bahnemann,  D.;  Hart,  E.J.  “Rate  constants  of  the  reaction  of  the 

hydratedelectron and hydroxyl radical with ozone in aqueous solution”. J. Phys. 

Chem. 86 (1982) 252‐255. 

[68] Grätzel, M. “Heterogeneous Photochemical Electron Transfer”. CRC Press, 

Boca Raton, FL. (1989).  

[69] Malato, S.; Fernández‐Ibáñez, P.; Maldonado, M.I.; Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59. 

[70] Salvador, P. “On the nature of photogenerated radical species active in the 

oxidative degradation of dissolved pollutants with TiO2 aqueous suspensions: A 

revision  in  the  light  of  the  electronic  structure  of  adsorbed  water”.  J.  Phys. 

Chem. C 111 (2007) 17038‐17043. 

[71] Henderson, M.A.  “A  surface  science perspective on TiO2 photocatalysis”. 

Surf. Sci. Rep. 66 (2011) 185‐297. 

Page 69: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

53 

 

[72]  Goldstein,  S.;  Behar,  D.;  Rabani,  J.  “Mechanism  of  visible  light 

photocatalytic oxidation of methanol in aerated aqueous suspensions of carbon‐

doped TiO2”. J. Phys. Chem. C. 112 (2008) 15134‐15139. 

[73] Choina,  J.;  Fischer, G.U.;  Flechsig, H.; Kosslick, V,A.; Tuan, N.D.; Tuyen, 

N.A.;  Tuyen,  A.S.  “Photocatalytic  properties  of  Zr‐doped  titania  in  the 

degradation of  the pharmaceutical  ibuprofen”.  J. Photochem. Photobiol. A 274 

(2014) 108‐116 

[74] Zhang, H.; Zhang, P.;  Ji, Y.; Tian, J.; Du, Z. “Photocatalytic degradation of 

four non‐steroidal anti‐inflammatory drugs in water under visible light by P25‐

TiO2/tetraethyl orthosilicate film and determination via ultra performance liquid 

chromatography  electrospray  tandem mass  spectrometry”. Chem.  Eng.  J.  262 

(2015) 1108‐1115. 

[75] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K. “A  review of synergistic effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[76] Rivas, F.J.;   Beltrán, F.J.; Encinas, A. “Removal of emergent contaminants: 

Integration of ozone and photocatalysis”. J. Environ. Manag. 100 (2012) 10‐15. 

[77]  Rodríguez, E.M.; Fernández, G.; Álvarez, P.M.; Beltrán, F.J. TiO2 and Fe (III) 

photocatalytic  ozonation  processes  of  a mixture  of  emergent  contaminants  of 

water. Water Res. 46 (2012) 152‐166. 

[78]  Quiñones,  D.H.;  Rey,  A.;  Álvarez,  P.M.;  Beltrán,  F.J.;  Plucinski,  P.K. 

“Enhanced activity and reusability of TiO2 loaded magnetic activated carbon for 

solar photocatalytic ozonation”. Appl. Catal. B Environ. 144 (2014) 96‐106. 

[79]  Xiao,  J.;  Xie,  Y.;  Cao, H.  “Organic  pollutants  removal  in wastewater  by 

heterogeneous photocatalytic  ozonation  (review)”. Chemosphere  121  (2015)  1‐

17. 

[80] Mehrjouei, M.; Müller, S.; Möller, D. “A review on photocatalytic ozonation 

used for the treatment of water and wastewater”. Chem. Eng. J. 263 (2015) 209‐

219.  

[81] Buxton G.V.; Greenstock C.L.; Helman W.P.; Ross A.B. “Critical review of 

rate constant for reactions or hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl 

radicals (∙OH/∙O‐) in aqueous solutions”. J. Phys. Chem. Ref. Data 17 (1988) 513‐

886.  

[82] Beltrán, F.J. “Ozone  reaction kinetics  for water and wastewater  systems”. 

Lewis Publishers, CRC Press. Boca Ratón, Florida (YS), 2004. 

[83] Hoigné,  J.; Bader, H. “The  role of hydroxyl  radical  reactions  in ozonation 

Page 70: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

54 

 

processes in aqueous solutions”. Water Res. 10 (1976) 377‐386. 

[84] Degremont, s.a. “Water Treatment Handbook”. Sixth edition. 1991. 

[85] Portolés,  J.J.S. “El ozono atmosférico, ¿benefactor o malhechor?”. Caderno 

Brasileiro de Ensino de Física 18 (2001) 360‐363. 

[86] Staehelin,  J., Buhler, R.E., and Hoigné,  J., “Ozone decomposition  in water 

studied by pulse radiolysis. 2. Hydroxyl and hydrogen tetroxide (HO4) as chain 

intermediates”. J. Phys. Chem. 88 (1984) 5999‐6004. 

[87] Staehelin, J.; Hoigné, J. “Decomposition of ozone in water in the presence of 

organic  as  promoters  and  inhibitors  of  radical  chain  reactions”.  Environ.  Sci. 

Technol. 19 (1985) 1206‐1213.  

[88] Hoigné, J.; Bader, H. “Rate constants of reactions of ozone with organic and 

inorganic compounds in water‐ I: Non‐dissociating organic compounds”. Water 

Res. 17 (1983) 173‐183. 

[89] Peyton, G.R.; Glaze, W.H. “Destruction of pollutants in water with ozone in 

combination with ultraviolet radiation. Photolysis of aqueous ozone”. Environ. 

Sci. Technol. 22 (1988) 761‐767. 

[90] Goldstein, S.; Aschengrau, D.; Diamant, Y.; Rabani J. “Photolysis of aqueous 

H2O2: Quantum  yield  and  applications  for  polychromatic UV  actinometry  in 

photoreactors”. Environ. Sci. Technol. 41 (2007) 7486‐7490. 

[91] Chu L.; Anastasio C. “Formation of hydroxyl radical from the photolysis of 

hydrogen peroxide in ice”. J. Phys. Chem. A 109 (2005) 6264‐6271. 

[92]  Biedenkapp,  D.; Hartshorn,  L.G.;  Bair  E.  “The O(1D)  + H2O  reaction”  J. 

Chem. Phys. Lett. 5 (1970) 379‐380. 

[93] Wayne,  R.P.  “The  photochemistry  of  ozone”  Atmos.  Environ.  21  (1987) 

1683‐1694. 

[94] Taniguchi, N.; Takahashi, K.; Matsumi, Y.J. “Photodissociation of O3 around 

309 nm”. J. Phys. Chem. A 104 (2000) 8936‐8944. 

[95] Hancock G.; Tyley, P.L. “The near‐UV photolysis of ozone: quantum yields 

of O(1D) between 305 and 329 nm at temperatures from 227‐298 K, and the room 

temperature  quantum  yield  of O(3P2)  between  303  and  310nm, measured  by 

resonance enhanced multiphoton ionization.” Phys. Chem. Chem. Phys. 3 (2001) 

4984‐4990. 

[96]  Wine,  P.H.;  Ravishankara,  A.R.  “O3  photolysis  at  248  nm  and  O(1D2) 

quenching by H2O, CH4, H2, and N2O ‐ O(3Pj) yields” Chem. Phys. 69 (1982) 365‐

373. 

Page 71: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

55 

 

[97]  Kläning,  U.K.;  Sehested  K.; Wolff  T.J.  “Ozone  formation  in  laser  flash‐

photolysis  of  oxoacids  and  oxoanions  of  chlorine  and  bromine”  Chem.  Soc., 

Faraday Trans. 1 80 (1984) 2969‐2979. 

[98] Kondratiev, V.N. “Rate Constants of Gas‐Phase Reactions”. National Bureau 

of Standards: Washington DC (1972). 

[99] Hernández‐Alonso, M.D.; Coronado,  J.M.; Maira, A.J.; Soria,  J.; Loddo, V.; 

Augugliaro,  V.  “Ozone  enhanced  activity  of  aqueous  titanium  dioxide 

suspensions  for photocatalytic  oxidation  of  free  cyanide  ions”. Appl. Catal. B 

Environ. 39 (2002) 257‐267. 

[100] Marci, G.; García‐López, E.; Palmisano, L. “Mechanistic aspects of oxalic 

acid oxidation by photocatalysis and ozonation”. J. Appl. Electrochem. 38 (2008) 

1029‐1033. 

[101] Rakowski,  S.; Cherneva, D.  “Kinetics  and mechanism  of  the  reaction  of 

ozone with aliphatic alcohols”. Int. J. Chem. Kinetics 22 (1990) 321‐329. 

[102] Mvula, M.; von Sonntag, C. “Ozonolysis of phenols in aqueous solution”. 

Org. Biomol. Chem. 1 (2003) 1749‐1756. 

[103] Leitzke, A.; von Sonntag, C. “Ozonolysis of unsaturated acids in aqueous 

solution:  acrylic, methacrylic, maleic,  fumaric  and muconic  acids”. Ozone  Sci. 

Eng. 31 (2009) 301‐308. 

[104] Blanco J.; Malato S. “Solar detoxification”. Unesco Publishing, Renewable 

energies series (2003). 

[105]    http://solarcellcentral.com/solar_page.html  (consultada  en  febrero  de 

2017). 

[106] www.psa.es (consultada en febrero de 2017). 

[107]  Robert,  D.; Malato,  S.  “Solar  photocatalysis:  a  clean  process  for  water 

detoxification”. Sci. Total. Environ. 291 (2002) 85‐97. 

[108]  Oller,  I.;  Malato,  S.;  Sánchez‐Pérez,  J.A.  “Combination  of  advanced 

oxidation processes and biological treatments for wastewater decontamination‐

A review”. Sci. Total. Environ. 409 (2011) 4141‐4166. 

[109] Prieto‐Rodríguez, L.; Miralles‐Cuevas, S.; Oller, I.; Agüera, A.; Puma, G.L.; 

Malato, S. “Treatment of emerging contaminants in wastewater treatment plants 

(WWTP) effluents by solar photocatalysis using TiO2 concentrations”. J. Hazard. 

Mater. 211‐212 (2012) 131‐137. 

[110] Velegraki,  T.; Hapeshi,  E.;  Fatta‐Kassinos, D.;  Poulios,  I.  “Solar‐induced 

heterogeneous  photocatalytic  degradation  of methyl‐paraben”. Appl. Catal.  B 

Page 72: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

56 

 

Environ 178 (2015) 2‐11. 

[111]  Cordero‐García, A.;  Turnes  Palomino, G.; Hinojosa‐Reyes,  L.; Guzmán‐

Mar, J.L.; Maya‐Teviño, L.; Hernández‐Ramírez, A. “Photocatalytic behaviour of 

WO3/TiO2‐N  for  diclofenac  degradation  using  simulated solar radiation  as  an 

activation source”.  Environ. Sci. Pollut. R.  DOI: 10.1007/s11356‐016‐8157‐0.  

[112] Rimoldi, L.; Meroni, D.; Falleta, E.; Pifferi, V.; Falciola, L.; Cappelletti, G.; 

Ardizzone,  S.  “Emerging  pollutant  mixture  mineralization  by 

TiO2 photocatalysts. The role of the water medium”. Photochem. Photobiol. Sci. 

16 (2017) 60‐66. 

[113]  Araña,  J.;  Herrera,  J.A.;  Doña,  J.M.;  González,  O.;  Viera,  A.;  Pérez,  J.; 

Marrero,  P.M.;  Espino,  V.  “TiO2‐photocatalysis  as  a  tertiary  treatment  of 

naturally treated wastewater”. Catal. Today 76 (2002) 279‐289.  

[114]  Bayarri,  B.;  González,  O.;  Maldonado,  M.I.;  Giménez,  J.;  Esplugas, 

S. “Comparative  study  of  2,4‐dichlorophenol  by using different photocatalytic 

techniques”. J. Sol. Energy Eng. 129 (2007) 60‐67. 

[115] Oyama, T.; Yanigisawa, I.; Takeuchi, M; Koike, T.; Serpone, N.; Hidaka, H. 

“Remediation  of  simulated  aquatic  sites  contaminated  with  recalcitrant 

substrates by TiO2/ozonation under natural sunlight”. Appl. Catal. B Environ. 91 

(2009) 242‐246. 

[116]  Oyama,  T.;  Otsu,  T.;  Hidano,  Y.;  Koike,  T.;  Serpone,  N.;  Hidaka,  H. 

“Enhanced  remediation  of  simulated  wastewaters  contaminated  with  2‐

chlorophenol and other aquatic pollutants by TiO2‐photoassisted ozonation in a 

sunlight driven pilot‐plant scale photoreactor”. Sol. Energy 85 (2011) 938‐944.   

[117]  Márquez,  G.;  Rodríguez,  E.M.;  Beltrán,  F.J.;  Álvarez,  P.M. “Solar 

photocatalytic ozonation of a mixture of pharmaceutical compounds in water”. 

Chemosphere 113 (2014) 71‐78.  

[118]  Quiñones,  D.H.;  Álvarez,  P.M.;  Rey,  A.;  Contreras,  S.;  Beltrán,  F.J. 

“Application of solar photocatalytic ozonation for the degradation of emerging 

contaminants in water in a pilor plant”. Chem. Eng. J. 260 (2015) 399‐410. 

[119] Kabra, K.; Chaudhary, R.; Sawhney, R.L. “Treatment of hazardous organic 

and  inorganic  compounds  through  aqueous‐phase  photocatalysis: A  review”. 

Ind. Eng. Chem. Res. 43 (2004) 7683‐7696. 

[120] Chong, M. N.; B.  Jin, C. W. K. Chow, C. Saint. “Recent developments  in 

photocatalytic  water  treatment  technology:  A  review”. Water  Res.  44  (2010) 

2997‐3027. 

[121] Chen,  J.; Qiu, F.; Xu, W.; Cao, S.; Zhu, H. “Recent progress  in enhancing 

Page 73: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

57 

 

photocatalytic  efficiency  of  TiO2‐based  materials”.  Appl.  Catal.  A  Gen.  495 

(2015) 131‐140.    

[122]  Degussa.  “Highly  dispersed  metallic  oxides  produced  by  AEROSIL® 

process”. Technical Bulletin Pigments, 1990. 

[123] Reyes, C.;  Fernández,  J.;  Freer,  J.; Mondaca, M.A.; Zaror, C.; Malato,  S.; 

Mansilla,  H.D.  “Degradation  and  inactivation  of  tetracycline  by  TiO2 

photocatalysis”. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 184 (2006) 141‐146. 

[124] Xekoukoulotakis, N.P.; Drosou, C.; Brebou, C.; Chatzisymeon, E.; Hapeshi, 

E.;  Fatta‐Kassinos, D.; Mantzavinos, D.  “Kinetics  of UV‐A/TiO2 photocatalytic 

degradation  and mineralization  of  the  antibiotic  sulfamethoxazole  in  aqueous 

matrices”. Catal.Today 161 (2011) 163‐168. 

[125]  Xiong,  P.;  Hu,  J.  “Decomposition  of  acetaminophen  (Ace)  using 

TiO2/UVA/LED system”. Catal. Today 282 (2017) 48‐56.   

[126] Beltrán, F.J.; Aguinaco, A.; Rey, A.; García‐Araya,  J.F. “Kinetic studies on 

black  light  photocatalytic  ozonation  of  diclofenac  and  sulfamethoxazole  in 

water”. Ind. Eng. Chem. Res. 51 (2012) 4533‐4544. 

[127]  Rodríguez,  E.M.; Márquez,  G.;  León,  E.A.;  Álvarez,  P.M.;  Amat,  A.M.; 

Beltrán, F.J. “Mechanism considerations for photocatalytic oxidation, ozonation 

and photocatalytic ozonation of some pharmaceutical compounds  in water”.  J. 

Environ. Manage. 127 (2013) 114‐124. 

[128] Ren, H.; Koshy, P.; Chen, W.; Qi, S.; Sorrell, C.C. “Photocatalytic materials 

and technologies for air purification”. J. Hazard. Mater. 325 (2017) 340‐366.  

[129]  Hernández‐Alonso  M.D.;  Fresno  F.;  Suarez  S.;  Coronado  J.M. 

“Development  of  alternative  photocatalysts  to  TiO2:  Challenges  and 

Opportunities”. Energ. Environ. Sci. 2 (2009) 1231‐1257. 

[130] Zhao, Z.G; Miyauchi, M. “Nanoporous‐walled  tungsten oxide nanotubes 

as highly active visible‐light‐driven photocatalysts”.  Angew. Chem. Int. Ed.  47 

(2008) 7051‐7055.   

[131]  Kim,  J.;  Lee,  C.W.;  Choi,  W.  “Platinized  WO3  as  an  environmental 

photocatalyst  that  generates  OH  radicals  under  visible  light”  Environ.  Sci. 

Technol. 44 (2010) 6849‐6854. 

[132] Sun, S.M.; Wang, W.Z.; Zeng, S.Z.; Shang, M.; Zhang, L.; “Preparation of 

ordered  mesoporous  Ag/WO3  and  its  highly  efficient  degradation  of 

acetaldehyde under visible‐light  irradiation”  J. Hazard. Mater. 178  (2010) 427‐

433.   

[133]  Morales,  W.;  Cason,  M.;  Aina,  O.;  Tacconi,  N.R.D.;  Rajeshwar,  K. 

Page 74: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

58 

 

“Combustion  synthesis  and  characterization  of  nanocrystalline WO3”  J.  Am. 

Chem. Soc. 130 (2008) 6318‐6319. 

[134] Nishimoto S.; Mano T.; Kameshima Y.; Miyake M. “Photocatalytic water 

treatment over WO3 under visible  light  irradiation  combined with ozonation” 

Chem. Phys. Lett. 500 (2010) 86‐89. 

[135] Mano,  T.; Nishimoto,  S.;  Kameshima,  Y.; Miyake, M.  “Investigation  of 

photocatalytic  ozonation  treatment  of  water  over  WO3  under  visible  light 

irradiation”. J. Ceram. Soc. Jpn. 119 (211) 822‐827. 

[136]  Huang,  W.;  Gao,  Y.  “Morphology‐dependent  surface  chemistry  and 

catalysis of CeO2 nanocrystals”. Catal. Sci. Technol. 4 (2014) 3772‐3784. 

[137]  Aslam,  M.;  Qamar,  M.T.;  Tahir‐Soomro,  M.;  Ismail,  I.M.I.;  Salah,  N.; 

Almeelbi, T.; Gondal, M.A.; Hameed, A. “The effect of sunlight induced surface 

defects on  the photocatalytic activity of nanosized CeO2  for  the degradation of 

phenol and its derivatives”. Appl. Catal. B Environ. 180 (2016) 391‐402. 

[138]  Huang,  X.;  Beck,  M.J.  “Size‐dependent  appearance  of  intrinsic 

Oxq “Activated Oxygen” molecules  on  ceria  nanoparticles”.  Chem. Mater.  27 

(2015) 5840‐5844. 

[139] Hernández‐Alonso, M.D.; Hungría, A.B.; Martínez‐Arias, A.;  Fernández‐

García,  M.;  Coronado,  J.M.;  Conesa,  J.C.;  Soria,  J.  “EPR  study  of  the 

photoassisted formation of radicals on CeO2 nanoparticles employed for toluene 

photooxidation”. Appl. Catal. B Environ. 50 (2004) 167‐175. 

[140] Deng, W.; Chenn, D.; Chenn, L. “Synthesis of monodisperse CeO2 hollow 

spheres with  enhanced  photocatalytic  activity”.  Ceram.  Int.  41  (2015)  11570‐

11575. 

[141]   Muduli, S.K.; Wang, S.; Chen, S.; Fan‐Ng, C.; Huan, C.H.A.; Sum, T.C.; 

Soo, H.S.  “Mesoporous  cerium  oxide  nanospheres  for  the  visible‐light  driven 

photocatalytic degradation of dyes”. Beilstein J. Nanotechnol. 5 (2014) 517‐523. 

[142]  Yu,  Y.;  Zhu,  Y.;  Meng,  M.  “Preparation,  formation  mechanism  and 

photocatalysis  of  ultrathin  mesoporous  single‐crystal‐like  CeO2 nanosheets”. 

Dalton Trans. 42 (2013) 12087‐12092.  

[143] Karunakaran, C.; Dhanalakshmi, R. “Semiconductor‐catalyzed degradation 

of phenols with sunlight”. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 92 (2008) 1315‐1321. 

[144] Da Silva, M.F.P.; Soeira, L.S.; Daghastanli, K.R.P.; Martins, T.S.; Cuccovia, 

I.M.; Freire, R.S.; Isolani, P.C. “CeO2‐catalyzed ozonation of phenol: The role of 

cerium  citrate as precursor of CeO2”.  J. Therm. Anal. Calorim. 102  (2010) 907‐

913.  

Page 75: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                    Introducción y objetivos 

59 

 

[145] Faria, P.C.C.; Orfao, J.J.M.; Pereira, M.F.R. “A novel ceria‐activated carbon 

composite for the catalytic ozonation of carboxylic acids”. Catal. Comm, 9 (2008) 

2121‐2126.  

[146] Gonçalves, A.G.; Orfao,  J.J.M.; Pereira, M.F.R.  “Ozonation of bezafibrate 

over ceria and ceria supported on carbon materials”. Environ. Technol. 36 (2015) 

776‐785. 

[147] Keller, V.; Garin, F. “Photocatalytic behavior of a new composite  ternary 

system: WO3/SiC‐TiO2. Effect of  the coupling of  semiconductors and oxides  in 

photocatalytic  oxidation  of  methylethylketone  in  the  gas  phase”.  Catal. 

Commun. 4 (2003) 377‐383. 

[148]  Dan,  S.;  Jingyu,  W.;  Yupan,  T.  “Constructing  WO3/TiO2 composite 

structure  towards  sufficient  use  of  solar  energy”. Chem. Commun.  47  (2011) 

4231‐4233. 

[149]  Ismail, M.;  Bousselmi,  L.;  Zahraa, O.  “Photocatalytic  behavior  of WO3‐

loaded TiO2 systems in the oxidation of salicylic acid” J. Photochem. Photobiol. 

A Chem. 222 (2011) 314‐322.  

[150] Lana‐Villarreal T.; Monllor‐Satoca D.; Rodes A.; Gómez R. “Photocatalytic 

behavior  of  suspended  and  supported  semiconductor  particles  in  aqueous 

media:  Fundamental  aspects using  catechol  as model molecule” Catal. Today 

129 (2007) 86‐95.  

[151]  Hernández‐Alonso, M.D.;  García‐Rodríguez,  S.;  Sánchez,  B.;  Coronado, 

J.M. “Revisiting the hydrothermal synthesis of titanate nanotubes: new insights 

on the key factors affecting the morphology”. Nanoscale 3 (2011) 2233‐2240. 

[152]  Jung,  J.H.;  Lovayashi, H.;  Van  Bommel,  K.J.C.;  Shinkai,  S.;  Shimizu,  T. 

“Creation of novel helical ribbon and double‐layered nanotube TiO2 structures 

using an organogel template”. Chem. Mater. 14 (2002) 1445‐1447. 

[153] Kasuga, T.; Hiramatsu, M.; Hoson, A.; Sekino, T.: Niihara, K. “Formation of 

titanium oxide nanotube”. Langmuir 14 (1998) 3160‐3163.  

[154]  Chen,  Q.;  Du,  G.;  Zhang,  S.;  Peng,  L.M.  ”The  structure  of  trititanate 

nanotubes”. Acta Crystallogr. Sect. B 58 (2002) 587‐593. 

[155] Wang, W.;  Varghese  O.K.;  Paulose M.;  Grimes  C.A.  ”A  study  on  the 

growth and structure of titania nanotubes”, J. Mater. Res. 19 (2004) 417‐422.  

[156] Capula, S.I. “Síntesis, caracterización y evaluación de la actividad catalítica 

de  nanopartículas  Pt‐Ir  sobre  nanotubos  de  titania”.  Tesis  Doctoral,  Escuela 

Superior  de  Ingeniería Química  e  Industrias  Extractivas, México D.F, México 

(2007). 

Page 76: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 1   

60 

 

[157] Pan, L.;  Ji, M.; Lu, B.; Wang, X.; Zhao, L. ”Degradation of humic acid by 

TiO2 nanotubes/UV/O3”. International conference on environmental science and 

information application technology, Vol II (2009) Proceedings, 654‐657. 

[158] Shan, A.Y.; Ghati, T.I.M.; Rashid, S.A. “Immobilisation of titanium dioxide 

onto  supporting materials  in  heterogeneous  photocatalysis: A  review”. Appl. 

Catal. A Gen. 389 (2010) 1‐8.  

[159] Belessi, V.; Lambropoulou, D.; Konstantinou, I.; Zboril, R.; Tucek, J.; Jancik, 

D.;  Albanis,  T.;  Petridis,  D.  “Structure  and  photocatalytic  performance  of 

magnetically separable titania photocatalysts for the degradation of propachlor”. 

Appl. Catal. B Environ. 87 (2009) 181‐189. 

[160] Álvarez, P.M.; Jaramillo, J.; López‐Piñeiro, F.; Plucinski, P.K. “Preparation 

and characterization of magnetic TiO2 nanoparticles and their utilization for the 

degradation of emerging pollutants in water”. Appl. Catal. B Environ. 100 (2010) 

338‐345. 

[161] Wang, S.; Zhou, S. “Titania deposited on soft magnetic activated carbon as 

a magnetically separable photocatalyst with enhanced activity”. Appl. Surf. Sci. 

256 (2010) 6191‐6198. 

[162] Ao,  Y.H.;  Xu,  J.J.;  Fu, D.G.;  Shen,  X.W.;  Yuan, C.W.  “Low  temperature 

preparation  of  anatase  TiO2‐coated  activated  carbon”.  Coll.    Surf.  A 

Physicochem.  Eng. Asp. 312 (2008) 125‐130. 

[163] Li Puma, G.; Bono, A.; Krishnaiah, D.; Collin, J.C. “Preparation of titanium 

dioxide  photocatalyst  loaded  onto  activated  carbon  support  using  chemical 

vapor deposition: A review paper”. J. Hazard. Mater. 157 (2008) 209‐219. 

[164] Wang, W.D.; Serp, P.; Kalck, P.; Faria,  J.L. “Photocatalytic degradation of 

phenol on MWNT and  titania composite catalysts prepared by a modified sol‐

gel method”. Appl. Catal. B Environ. 56 (2005) 305‐312. 

 

Page 77: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2 Materiales y métodos experimentales

En este capítulo se describen las instalaciones experimentales empleadas y el procedimiento general de uso de las mismas. Asimismo, se detallan los métodos y equipos de análisis utilizados tanto para el seguimiento de la eficacia de los tratamientos de eliminación de contaminantes en agua como para la caracterización de los catalizadores sintetizados. Finalmente, se indican los productos químicos empleados a lo largo de esta investigación, clasificados en función de su aplicación.

Page 78: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 79: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

63 

 

2.1. INSTALACIONES Y PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES 

En  este  apartado  se  describen  de  forma  detallada  las  instalaciones 

experimentales  empleadas  y  el  procedimiento  general  de  uso  de  las mismas, 

agrupadas  en  función  de  la  finalidad  que  persiguen  dentro  de  la  presente 

investigación. 

2.1.1. Tratamientos de eliminación de contaminantes en agua 

2.1.1.1. Ensayos realizados empleando lámparas de luz UVA (luz negra) como fuente de 

radiación 

En la Figura 2.1 se muestra un esquema de la instalación experimental en la 

que se ha llevado a cabo el estudio de la degradación de compuestos orgánicos  

en  agua  mediante  diferentes  procesos  (fotólisis,  oxidación  fotocatalítica  u 

ozonización fotocatalítica), utilizando como fuente de radiación lámparas de luz 

UVA cercana al visible (luz negra). 

 

Figura 2.1.  Instalación experimental en ensayos que emplean  luz UVA como  fuente de 

radiación. 1: Botella de oxígeno; 2: Generador de ozono; 3: Rotámetro; 4: Entrada de gas; 

5:  Barra magnética;  6:  Toma  de muestra;  7:  Termómetro;  8:  Lámpara  de  luz  negra  y 

soporte; 9: Agitador magnético; 10: Salida de gas; 11: Analizador de ozono; 12: Reactor 

fotoquímico; 13: Caja negra. 

 

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Page 80: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

64 

 

La instalación estaba formada por una caja de madera pintada de color negro 

y de dimensiones 50 x 30 x 30 cm en cuyo interior se situaba el reactor. Se trataba 

de un reactor cilíndrico de vidrio borosilicato 3.3, de 1 L de capacidad (18 cm de 

altura y 10 cm de diámetro), situado sobre un agitador magnético (Agimatic‐E, 

P. Selecta®), que  inducía el movimiento de una barra magnética  recubierta de 

teflón situada en el  interior del recipiente, garantizando una buena mezcla del 

medio de reacción. En dos esquinas opuestas de la caja negra y a una distancia 

de  5  cm del  reactor,  se  situaban  sendas  lámparas de  luz  negra  (LAMP15TBL 

HQPOWERTM de 15 W de potencia nominal cada una de ellas, de dimensiones 

45 cm de longitud y 2,5 cm de diámetro, fabricadas por Velleman®). El espectro 

de emisión de este tipo de lámparas abarca, tal como se muestra en la Figura 2.2, 

el intervalo de longitudes de onda comprendido entre 350 ‐ 400 nm, con máximo 

de  emisión  a  365  nm.  Este  espectro  se  determinó  con  ayuda  de  un 

espectrorradiómetro UV‐Vis compacto de fibra óptica que medía en el rango de 

longitudes de onda 190 ‐ 850 nm (Black‐Comet modelo C de StellarNet). 

200 300 400 500 600 700 800

(nm)

INT

EN

SID

AD

DE

LA

SE

ÑA

L (u

.a.)

Figura 2.2. Espectro de emisión de las lámparas de luz negra empleadas.                         

 

La instalación experimental disponía, además, de un sistema de alimentación 

de  oxígeno  que  permitía  el  burbujeo  directo  de  la  disolución  a  través  de  un 

Page 81: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

65 

 

difusor, fijando el caudal de gas con ayuda de un rotámetro (Gilmont). La tapa 

del  reactor  contaba  con  diferentes  bocas  adaptadas  para  la  entrada‐salida  de 

gases,  la medida de  la  temperatura  y  la  toma de muestras. En  el  caso de  los 

ensayos en los que se empleó ozono, a la instalación experimental descrita se le 

acoplaba  un  sistema  de  generación  de  ozono  y  un  equipo  de  análisis  y 

destrucción de ozono en  la corriente de gas de salida. El ozono era generado a 

partir  de  oxígeno  puro  en  un  ozonizador  Sander  Labor‐Ozonisator  (modelo 

301.7), fijando la concentración requerida, según el ensayo. La concentración de 

ozono en el gas de salida del ozonizador (antes del inicio de la reacción), y en el 

gas  de  salida  del  reactor  (una  vez  abierto  el  paso  de  gases  al  reactor),  se 

analizaba  en  continuo mediante  un  analizador Anseros Ozomat GM6000  Pro 

dotado de un sistema de destrucción catalítica del ozono. 

El  procedimiento  experimental  se  iniciaba  encendiendo  las  lámparas  y 

esperando un  tiempo de 30 minutos  (tiempo  suficiente para que  las  lámparas 

alcanzaran el régimen estacionario de emisión), antes de introducir el reactor en 

la  instalación. Mientras  tanto, al  reactor  se adicionaba  la disolución acuosa de 

compuesto a degradar, se ajustaba o tamponaba el medio al valor requerido de 

pH mediante  la adición de ácidos o bases y  se ponía en marcha el  sistema de 

agitación.  En  los  ensayos  en  los  que  se  empleaba  catalizador  se  tomaba  una 

muestra inicial del reactor antes de la adición del mismo, se añadía la cantidad 

requerida de catalizador y se mantenía la mezcla en agitación y en la oscuridad 

durante 30 minutos, con la finalidad de establecer el equilibrio de adsorción del 

compuesto a degradar sobre el catalizador. Pasado ese  tiempo, se  tomaba otra 

muestra  (que  era  considerada  como  la muestra  a  tiempo  cero),  y  se  filtraba 

empleando filtros de jeringa de 0,45 μm (Macherey‐Nagel PET). Finalmente, una 

vez alcanzado el régimen estacionario de emisión de las lámparas se introducía 

el reactor en la instalación y se iniciaba el burbujeo de gas a través de un difusor 

sumergido en  la disolución  (ver Fig. 2.1). A partir de ese  instante, se ponía en 

marcha el cronómetro y a distintos intervalos de tiempo se tomaban muestras, se 

filtraban  y  se  recogían  en  distintos  viales  para  su  análisis  posterior.  Si  se 

empleaba ozono en el ensayo, la forma de proceder era la misma pero poniendo 

Page 82: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

66 

 

especial cuidado en evitar fugas de gas, para lo cual debían sellarse con silicona 

las uniones esmeriladas de la tapa del reactor. Además, en este tipo de ensayos 

las  muestras  que  se  extraían  del  reactor  se  dividían  en  dos  fracciones,  una 

dedicada al análisis de la concentración de ozono disuelto y otra al análisis del 

resto de especies involucradas en el proceso. Esta última fracción era burbujeada 

inmediatamente con aire para eliminar, por arrastre, el posible ozono disuelto 

que hubiera en la muestra, evitando con ello que el ozono siguiera reaccionando. 

La duración de los experimentos fue de 60 min. 

2.1.1.2. Ensayos realizados empleando luz solar artificial como fuente de radiación. 

El  estudio  a  escala  de  laboratorio  de  la  degradación  de  contaminantes  en 

agua mediante distintos procesos empleando luz solar artificial, se llevó a cabo 

en una  instalación experimental como  la que se muestra de forma esquemática 

en la Figura 2.3. 

 

Figura  2.3.  Instalación  experimental  en  ensayos que  emplean  luz  solar  simulada  como 

fuente  de  radiación.  1:  Botella  de  oxígeno;  2:  Generador  de  ozono;  3:  Rotámetro;  4: 

Entrada de gas; 5: Barra magnética; 6: Toma de muestra; 7: Lámpara de Xe; 8: Agitador 

magnético;  9:  Salida  de  gas;  10:  Analizador  de  ozono;  11:  Reactor  fotoquímico;  12: 

Simulador solar. 

La  instalación  constaba  de  un  simulador  solar  Suntest  CPS+  (Atlas)  de 

dimensiones  90  x  35  x  35  cm  que  disponía  de  una  cámara  dotada  de  una 

lámpara xenón refrigerada por aire de 1500 W de potencia, siendo el área total 

de exposición dentro de la cámara de 560 cm2. La presencia de filtros de cuarzo y 

vidrio restringen el espectro de emisión a  longitudes de onda superiores a 300 

nm.  Dicho  espectro,  medido  con  ayuda  del  espectrorradiómetro  UV‐Vis 

Page 83: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

67 

 

indicado  en  el  apartado  anterior,  se  muestra  en  la  Figura  2.4  junto  con  el 

espectro  solar. En  todos  los  casos,  la  intensidad de  radiación  se  fijaba  en  550                   

W m‐2 (valor promedio de la radiación solar global en un día soleado), oscilando 

la  temperatura  en  el  interior de  la  cámara  entre  20  y  40  °C  a  lo  largo de  los 

experimentos. En  la  cámara  se  introducía  el  reactor,  consistente  en un  reactor 

esférico de vidrio borosilicato 3.3 de 0,5 L de capacidad (10 cm de diámetro). La 

distancia  de  la  lámpara  a  la  superficie  del  reactor  era  de    15  cm 

aproximadamente.  

200 300 400 500 600 700 800

Simulador Solar RadiaciÓn Solar

(nm)

INT

EN

SID

AD

DE

LA

SE

ÑA

L (u

.a.

)

 

Figura 2.4. Espectro de emisión característico del sistema lámpara de Xe + filtro de cuarzo 

+ filtro de vidrio del simulador solar Suntest CPS+, junto con el espectro solar. 

 

La instalación disponía de un sistema de alimentación de oxígeno con el que 

se burbujeaba directamente la disolución acuosa a tratar a través de un difusor, 

fijándose  el  caudal  de  gas  con  ayuda  de  un  rotámetro  (Gilmont).  El  reactor 

contaba  con  diversas  bocas  para  la  entrada‐salida  de  gases  y  la  toma  de 

muestras.  En  caso  de  emplear  ozono  se  procedía  de  la  forma  descrita  en  el 

apartado  anterior,  esto  es,  generándolo  a  partir  de  oxígeno  puro  en  un 

ozonizador Sander Labor‐Ozonisator  (modelo 301.7) y analizando en continuo 

su concentración,  tanto en el gas de entrada, con ayuda de un analizador GM‐

Page 84: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

68 

 

600‐OEM de Anseros, como en el gas de salida empleando un equipo Anseros 

Ozomat GM6000 Pro dotado de un sistema de destrucción catalítica del ozono. 

El  procedimiento  seguido  fue  similar  al  descrito  para  los  ensayos  con  luz 

UVA: el reactor, cargado con la disolución acuosa de compuesto/s a degradar, se 

colocaba  en  el  interior  de  la  cámara  del  simulador  solar  soportado  sobre  un 

agitador magnético.  En  caso  de  emplear  catalizador,  se  tomaba  una muestra 

inicial  de  la  disolución  y  a  continuación  se  añadía  la  cantidad  requerida  de 

catalizador, dejando la mezcla en agitación y en la oscuridad durante 30 minutos 

al objeto de establecer el equilibrio de adsorción. Posteriormente, se tomaba una 

nueva muestra (considerada tiempo cero), se filtraba y se recogía en un vial para 

su análisis posterior. Se encendía  la  lámpara del simulador solar  (se comprobó 

previamente que no era necesario esperar un  tiempo para alcanzar el  régimen 

estacionario  de  emisión),  y  se  abría  el  paso  del  gas  (oxígeno  o  mezcla 

oxígeno/ozono), al reactor. En ese instante se ponía en marcha el cronómetro y a 

distintos tiempos se tomaban muestras y se procedía de la forma descrita en el 

apartado anterior. La duración de los experimentos varió en función del objetivo 

perseguido con cada tipo de tratamiento. 

2.1.2. Preparación de los catalizadores empleados 

A  continuación  se  describen  los  equipos  utilizados  en  la  preparación  de 

distintos catalizadores indicándose, de forma general, la función de cada uno de 

ellos en el procedimiento de síntesis.  

2.1.2.1. Agitador 

En varias de las etapas seguidas para llevar a cabo la síntesis de catalizadores 

(hidrólisis sol‐gel, homogeneización, lavado de los materiales sintetizados, etc.), 

se  empleó  un  agitador  magnético  Agimatic‐E  de  Selecta®.  Este  inducía  el 

movimiento de una barra magnética  recubierta de  teflón situada en el  interior 

del vaso de precipitados de vidrio que contenía la mezcla de la síntesis.  

 

Page 85: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

69 

 

2.1.2.2. Autoclave 

En  el  caso  de  los  catalizadores  sintetizados  por  vía  hidrotermal,  el 

tratamiento se realizó en una autoclave de acero inoxidable  de Parr Instrument 

Company, que contenía un vaso de teflón de 125 mL. En el vaso se introducía la 

mezcla de reacción evitando que el volumen de  la misma superara el 75 % del 

volumen total del vaso. Las autoclaves constituyen sistemas sellados en los que 

el  recinto  de  reacción  se  encuentra  sometido  a  condiciones  de  presión  y 

temperatura elevadas, como las características de los procesos hidrotermales. 

2.1.2.3. Centrífuga 

Tras  cada  etapa de  lavado de  los materiales  sintetizados,  las partículas de 

catalizador  fueron  separadas  de  los  disolventes  utilizados  (ácido  clorhídrico, 

agua y etanol), con ayuda de una centrífuga Alresa de 200 W de potencia y una 

frecuencia de rotación de 50 Hz. 

2.1.2.4. Estufa 

El secado final del material sintetizado se llevó a cabo en una estufa  Conterm 

150  L  de  Selecta®,  dotada  de  un  limitador  fijo  de  sobrecalentamiento  y  un 

termostato de seguridad regulable. La estufa permite trabajar con temperaturas 

comprendidas  entre  45  °C y  250  °C, distribuyendo  el  calor  en  su  interior por 

convección natural. A 100 °C  la homogeneidad de esta estufa es de ± 1 °C y  la 

estabilidad térmica de ± 0,5 °C. 

2.1.2.5. Horno mufla 

Las  partículas  de  catalizador  sintetizadas,  así  como  los  propios materiales 

precursores  en  el  caso  de  obtención  de  catalizadores  por  descomposición 

térmica,  se  introducían  en  cápsulas de porcelana y  se  calcinaban en un horno 

mufla Raypa modelo HM, en el que  la calefacción se produce mediante placas 

termo‐cerámicas con resistencias eléctricas de níquel y cromo. La temperatura se 

regula mediante un microprocesador, pudiendo alcanzar hasta 1150 °C, con una 

Page 86: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

70 

 

estabilidad térmica de ± 1 °C y una homogeneidad térmica de ± 5 °C. Asimismo, 

los  tratamientos  hidrotermales  de  obtención  de  catalizadores  también  se 

llevaron a cabo en el horno mufla, introduciendo la autoclave en su interior a la 

temperatura requerida. 

2.2. EQUIPOS Y MÉTODOS DE ANÁLISIS 

Dentro del desarrollo experimental de la presente investigación, se pusieron 

a punto una serie de métodos de análisis y se emplearon diversos equipos. Estos 

se detallan a continuación, clasificados según el objetivo que persiguen.  

2.2.1.  Seguimiento  de  la  eficacia  de  los  tratamientos  de  eliminación  de 

contaminantes en agua 

En  la Tabla  2.1  se  resumen  los métodos  analíticos y  los  equipos utilizados 

para  llevar a cabo  la determinación de  la eficacia de  los distintos  tratamientos 

ensayados. 

Tabla 2.1. Métodos de análisis y equipos utilizados para el seguimiento de la eficacia de 

los tratamientos de eliminación de compuestos orgánicos en agua. 

Parámetro  Método de análisis  Equipo 

Concentración de 

contaminantes modelo 

en agua 

Cromatografía líquida de alta 

resolución (HPLC) ‐ Detector de haz de 

diodos (DAD) 

Cromatógrafo HPLC‐

DAD Elite LaChrom

Identificación de 

productos intermedios 

de degradación 

Cromatografía líquida de alta 

resolución (HPLC) ‐ espectrómetro de 

masas (MS) con analizador Q‐TOF 

Cromatógrafo HPLC‐

MS‐QTOF Agilent 

Concentración de 

ácidos carboxílicos e 

iones 

Cromatografía iónica 

Cromatógrafo iónico 

Metrohm 881 Compact 

Pro 

Concentración de 

carbono orgánico total 

(COT) 

Oxidación + espectroscopía infrarroja 

Analizador de COT 

Shimadzu, TOC‐V 

CSH/CSN 

Page 87: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

71 

 

Tabla 2.1 (Continuación). Métodos de análisis y equipos utilizados para el seguimiento 

de la eficacia de los tratamientos de eliminación de compuestos orgánicos en agua. 

Parámetro  Método de análisis  Equipo 

Concentración de 

ozono en disolución 

acuosa 

Oxidación + Espectrofotometría [1] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Concentración de 

ozono en fase gas Espectrofotometría 

Analizador de ozono 

Anseros Ozomat 

GM6000 Pro  

Concentración de 

peróxido de hidrógeno

Oxidación + Complejación + 

Espectrofotometría [2] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Concentración de 

hierro total 

Reducción + Complejación + 

Espectrofotometría [3] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Concentración de 

hierro (II) Complejación + Espectrofotometría [4] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Intensidad de 

radiación 

Actinometría con ferrioxalato 

(Actinómetro de Parker) [5] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Concentración de 

fomaldehído Reacción + Espectrofotometría [6] 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Demanda química de 

oxígeno (DQO) Oxidación + Espectrofotometría [7] 

Digestor LT200. 

Espectrofotómetro 

DR2800. Cubetas test 

LCK 414 (Hach Lange) 

Biodegradabilidad. 

Demanda biológica de 

oxígeno (DBO) 

Oxidación + absorción de oxígeno + 

medida manométrica  Biómetros Oxitop® 

Aromaticidad. 

Absorción de 

radiación UV de 254 

nm 

Espectrofotometría 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Page 88: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

72 

 

Tabla 2.1 (Continuación). Métodos de análisis y equipos utilizados para el seguimiento 

de la eficacia de los tratamientos de eliminación de compuestos orgánicos en agua. 

Parámetro  Método de análisis  Equipo 

Fosfatos 

Complejación + Reducción + 

Espectrofotometría (Merck 

Spectroquant kit) 

Espectrofotómetro 

ThermoSpectronic, 

Heλios‐α. Cubeta de 

cuarzo de 1 cm. 

Turbidez  Nefelometría Turbidímetro Hanna 

HI 93414 

pH  Potenciometría 

pH‐metro Crison GLP 

21+ con electrodo 

combinado 

Conductividad  Conductimetría Conductímetro Crison 

524 

Temperatura  Termometría Termómetro de 

contacto 

2.2.1.1. Determinación de la concentración de contaminantes modelo en agua 

La concentración de contaminantes modelo en agua se determinó mediante 

cromatografía  líquida  de  alta  resolución  (HPLC),  empleando  un  equipo  Elite 

LaChrom dotado de desgasificador, bomba cuaternaria Hitachi L‐2130, sistema 

de  inyección  automático Hitachi  L‐2200  y  detector  de  haz  de  diodos Hitachi        

L‐2455.  El  equipo  consta,  además,  de  un  software  (EZ  Chrom  Elite)  para  el 

registro y tratamiento de datos. 

La fase estacionaria utilizada fue una columna de  fase reversa Phenomenex 

Gemini C18 de tamaño de partícula 5 m y tamaño de poro 100 Å, de 15 x 0,3 

cm. Los  compuestos eran  separados por elución  con agua acidificada al 0,1 % 

v/v con ácido fosfórico o ácido fórmico (disolvente A), y acetonitrilo (disolvente 

B). En la Tabla 2.2 se resumen las condiciones de cada método empleado para el 

análisis  de  la  concentración  de  los  contaminantes.  Previamente,  a  partir  del 

análisis cromatográfico de muestras patrón de distinta concentración, se obtuvo 

la recta de calibrado correspondiente a cada compuesto. Los límites de detección 

Page 89: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

73 

 

se muestran también en la Tabla 2.2. 

Tabla 2.2. Condiciones de los métodos de HPLC empleados. 

Método  Condiciones  Compuestos tR 

(min)  (nm) 

LD       

(g L‐1) 

Elución isocrática a 0,7 mL min‐1, 

40 % disolvente A (ácido 

fosfórico). VINY = 50 L. IBP  6,1  220  161,2 

Elución con gradiente a 0,2        

mL min‐1, 90 ‐ 0 % disolvente A 

(ácido fórmico) en 40 min y 20 

min de re‐equilibrado. VINY = 50 

L. 

AAP 

MTP 

CAF 

HCT 

ANT 

SFM 

CAR 

KET 

DCF 

10,5 

14,8 

15,28 

16,9 

18,2 

23,1 

27,1 

29,4 

36,8 

244 

225 

273 

271 

240 

260 

285 

320 

275 

7,1 

5,4 

33,6 

11,5 

7,0 

4,4 

10,3 

6,6 

5,3 

Elución con gradiente a 0,5        

mL min‐1, 95 ‐ 40 % disolvente A 

(ácido fosfórico) en 25 min y 10 

min de re‐equilibrado. VINY = 99 

L.  

CAF 

MTP 

IBP 

13,5 

15,1 

27,5 

220 

220 

220 

12 

8,4 

11,4 

Elución isocrática a 0,6 mL min‐1, 

70 % disolvente A (ácido 

fórmico). VINY = 50 L. 

DEET  10,4  220  176,1 

tR: tiempo de retención; : longitud de onda de detección; LD: límite de detección;  VINY: 

volumen de inyección 

2.2.1.2. Identificación de productos intermedios de degradación 

La identificación de productos intermedios de degradación de alguno de los 

contaminantes  seleccionados  en  agua  fue  realizada  con  ayuda del  Servicio de 

Análisis  Elemental  y  Molecular  (SAEM)  de  los  Servicios  de  Apoyo  a  la 

Investigación de  la Universidad de Extremadura  (SAIUEx), el cual dispone de 

un  equipo  de  cromatografía  líquida  con  detector  de  masas  tipo  Q‐TOF  de 

Agilent que permite detectar y  cuantificar multitud de  compuestos orgánicos, 

incluso en concentraciones del orden ng L‐1, sin necesidad de preconcentrar  la 

muestra. El  equipo  consta de desgasificador  (1260‐‐Degasser), bomba binaria 

Page 90: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

74 

 

(1260 bin Pump), automuestreador (HiP‐ALS SL+), termostatizador (TCC SL) y 

detector de masas tipo Q‐TOF (6520 Accurate‐Mass Q‐TOF LC/MS). 

En  la  separación mediante  cromatografía  líquida  la  fase  estacionaria  fue  la 

columna Zorbax SB C18 de Agilent (3,5 m, 4,6 x 150 mm), empleándose como 

fase móvil  una mezcla  de  acetonitrilo  (disolvente  A)  y  agua  acidificada  con 

ácido  fórmico  25 mM  (disolvente B). Para  la  separación de  los  intermedios  se 

empleó un gradiente de 90 % de B en el minuto 0, a 100 % de A en el minuto 40, 

con un caudal de 0,2 mL min‐1. El volumen de inyección fue de 10 L.  

Por su parte, el detector Q‐TOF operaba en modo positivo bajo los siguientes 

parámetros: voltaje del capilar, 3000 V; presión del nebulizador, 30 psig; caudal 

de gas, 10 L min‐1; temperatura del gas, 350 °C; voltaje del fragmentador, 175 V; 

voltaje de skimmer, 65 V; Octopolo RF, 750 V. El rango de adquisición de masas 

de  los compuestos  fue 30‐1000 m/z. Los datos  fueron adquiridos y procesados 

con  el  programa  Agilent  MassHunter  WorkStation  (versión  B.04.00).  La 

adquisición  precisa  de  las  masas  se  realizaba  con  una  fuente  de  doble 

calibración, introduciendo junto al flujo del cromatógrafo una solución estándar 

de  iones  de  calibración  de  purina  (C5H4N4,  m/z  121,0509)  y  HP‐921 

(C18H18O6N3P3F24, m/z 922,0098). 

2.2.1.3. Determinación de la concentración de ácidos carboxílicos de bajo peso molecular 

y aniones inorgánicos en disolución 

La determinación de la concentración de distintos ácidos orgánicos de cadena 

corta  (en  forma  de  sus  aniones  correspondientes)  y  de  algunos  aniones 

inorgánicos se  llevó a cabo mediante cromatografía  iónica. Para ello, se utilizó 

un  cromatógrafo  iónico  con  supresor  químico,  modelo  881  compact  IC  Pro 

(Metrohm), equipado con una columna de aniones modelo Metrosep A Supp 7 

de  4  x  150  mm  como  fase  estacionaria  (5  m  de  tamaño  de  partícula, 

termostatizada  a  45  °C).  Como  fase  móvil  se  empleó  una  disolución  de 

Page 91: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

75 

 

carbonato sódico, aplicándose un gradiente en el que  la concentración variaba 

de 0,6 a 14,6 mM con un caudal constante de 0,7 mL min‐1. La supresión química 

se realizó mediante una disolución 250 mM de ácido sulfúrico. La detección de 

los aniones se efectuó mediante medidas de conductividad, determinándose  la 

concentración de  los mismos con ayuda del software MagIC Net 2.4 S, a partir 

del calibrado previo realizado con disoluciones patrón que contenían entre 0 y 

10 mg L‐1 de cada anión. Los tiempos de retención y los límites de detección de 

los aniones fueron los siguientes: acetato, tR = 7,3 min y LD = 46 g L‐1; formiato, 

tR = 9,6 min y LD = 83 g L‐1; piruvato, tR = 10,3 min y LD = 275 g L‐1; cloruro, tR 

= 13,1 min y LD = 143 g L‐1; nitrato, tR = 25,8 min y LD = 272 g L‐1; fosfato, tR = 

34,5 min y LD = 350 g L‐1; sulfato, tR = 35,7 min y LD = 268 g L‐1; y oxalato, tR = 

39,0 min y LD = 75 g L‐1. 

2.2.1.4.  Determinación  de  la  concentración  de  carbono  orgánico  total  en  disolución 

(COT) 

El  análisis  del  contenido  en  COT  se  realizó  en  un  analizador  TOC‐V 

CSH/CSN  de  Shimadzu,  dotado  de  un  sistema  de  muestreo  e  inyección 

automático. El método analítico se basa en la formación de dióxido de carbono 

por combustión catalítica de la muestra a 680 °C, empleando un catalizador de 

Pt/Al2O3. El dióxido de  carbono generado  se analiza posteriormente mediante 

un  detector  de  infrarrojos,  determinándose  así  el  carbono  total  (CT)  de  la 

muestra.  Por  otro  lado,  para  la  determinación  de  carbono  inorgánico  (CI),  se 

inyecta  una  nueva  alícuota  en  un  depósito  donde  es  acidificada  con  ácido 

ortofosfórico  al  25 %. En  estas  condiciones,  todos  los  carbonatos/bicarbonatos 

disueltos se transforman en dióxido de carbono, cuya concentración es de nuevo 

cuantificada  en  el detector de  infrarrojo. El  contenido  en COT  se  obtiene por 

diferencia (COT = CT ‐ CI).  

Previamente,  se prepararon disoluciones patrón de  ftalato ácido de potasio 

con un contenido en carbono comprendido entre 0 y 100 mg L‐1, y disoluciones 

de carbonato/bicarbonato de sodio de 0 a 40 mg L‐1 de carbono, obteniéndose a 

Page 92: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

76 

 

partir  del  análisis  de  las  mismas  las  rectas  de  calibrado  del  CT  y  el  CI, 

respectivamente. Los límites de detección fueron 114 g L‐1 para CT y 247 g L‐1 

para CI. 

2.2.1.5. Determinación de la concentración de ozono en disolución acuosa 

Para la determinación de la concentración de ozono disuelto en las muestras 

de reacción se utilizó el método colorimétrico propuesto por Bader y Hoigné en 

1981  [1],  basado  en  la  decoloración  que  sufre  el  5,5’,7‐indigotrisulfonato  de 

potasio (índigo carmín) cuando reacciona con el ozono. 

Para ello, a un vial que contenía 4 mL de disolución 10‐4 M de índigo carmín 

de  pH  2  se  añadían  2  mL  de  la  muestra  analizar  (fracción  de  muestra  no 

burbujeada  con  aire,  tal  como  se  indicó  en  el  apartado  2.2.1.1).  Se  agitaba  la 

mezcla, se filtraba en el caso de los ensayos con catalizador, se trasvasaba a una 

cubeta  espectrofotométrica  de  1  cm  de  camino  óptico  y  se  determinaba  la 

absorbancia  de  la  mezcla  a  600  nm.  El  blanco  se  preparaba  en  idénticas 

condiciones pero sustituyendo la muestra por 2 mL de agua ultrapura. 

De  acuerdo  con  la Ley de Beer,  en  ausencia de  cualquier otra  especie que 

absorba radiación a 600 nm se tendrá que:  

 

3dis

0 m TO

600nm m

Abs Abs VC

c V

  (2.1) 

donde CO3dis es la concentración (M) de ozono disuelto en la muestra analizada; 

Abs0  la  absorbancia  del  blanco; Absm  la  absorbancia  de  la muestra;  600nm  la 

absortividad molar  del  índigo  carmín  a  600  nm  (2x104 M‐1  cm‐1);  c  el  camino 

óptico (1 cm); VT el volumen total de mezcla (6 mL) y Vm el volumen de muestra 

(2 mL). El límite de detección del método es de 10‐6 M de O3. 

La  disolución  de  índigo  carmín  de  concentración  10‐3 M  se  preparaba  por 

pesada disolviéndolo en agua ultrapura y en medio ácido fosfórico 2x10‐3 M. A 

partir de esta disolución madre se preparaba por dilución 1:20 en agua ultrapura 

Page 93: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

77 

 

otra  de  concentración  10‐4 M  en medio  ácido  fosfórico/fosfato monobásico  de 

potasio de pH 2 (28/35 m/m). Esta disolución se conservaba en la oscuridad y a 

una  temperatura  comprendida  entre  2  y  8  °C,  siendo  estable  durante 

aproximadamente 4 meses. 

2.2.1.6. Determinación de la concentración de ozono en fase gas 

Tal  como  se  expuso  en  el  apartado  2.1.1  al  describir  las  instalaciones 

experimentales,  para  determinar  la  concentración  de  ozono  en  fase  gas  en  la 

corriente  oxígeno/ozono  a  la  entrada  y  salida  del  reactor  se  emplearon  los 

equipos  GM‐600‐OEM  y  GM‐6000‐PRO  de  Anseros,  respectivamente.  La 

medida, realizada en continuo durante todo el tiempo de duración del ensayo, 

se basa en el análisis espectrofotométrico a 254 nm, longitud de onda a la cual el 

oxígeno no absorbe y el ozono presenta un máximo de absorción. Con ayuda de 

una  lámpara de mercurio de  baja presión  situada  en  el  interior de una  celda 

óptica, una fracción de la corriente gaseosa es irradiada a 254 nm. Por aplicación 

de la Ley de Beer, la medida de la atenuación de la señal permite determinar la 

concentración de ozono en el gas. Los equipos empleados están diseñados para 

trabajar  a  presiones  superiores  a  2  bar  en  el  rango  de  concentraciones  de O3 

comprendido entre 0 y 50  mg L‐1. 

2.2.1.7. Determinación de la concentración de peróxido de hidrógeno en disolución  

El método empleado ha sido el propuesto por Masschelein et al. en 1977 [2], 

basado en la oxidación de Co(II) a Co(III) por parte del peróxido de hidrógeno y 

la posterior determinación espectrofotométrica del complejo de bicarbonato‐Co 

(III)  formado  a  260  nm,  longitud de  onda  a  la  cual  el  complejo presenta una 

elevada  absortividad molar  (2,664x104 M‐1  cm‐1).  Este método  es  válido  para 

concentraciones de peróxido de hidrógeno  comprendidas  entre 3x10‐7 y  5x10‐5 

M. 

Para  llevar a  cabo  el análisis,  en un vial de vidrio que  contenía  0,5 mL de 

disolución  de  4  g  L‐1  de  Co(II)  (preparada  disolviendo  1,61  g  de  cloruro  de 

Page 94: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

78 

 

cobalto  (II)  hexahidrato  en  100 mL  de  agua  ultrapura),  10 mL  de  disolución 

saturada de NaHCO3 y 0,5 mL de disolución de 10 g L‐1 de calgón  (preparada 

disolviendo 1 g de hexametafosfato de sodio en 100 mL de agua ultrapura), se 

añadía  1 mL  de  la muestra  analizar. Al  objeto  de  tener  en  cuenta  la  posible 

contribución de la matriz a la absorbancia a 260 nm, se preparaba otra serie de 

viales  en  los  que  se  sustituían  los  0,5 mL  de  disolución  de  Co(II)  por  agua 

ultrapura.  Los  blancos,  uno  para  cada  tipo  de  vial  (con  y  sin  cobalto),  se 

preparaban  siguiendo  el mismo procedimiento pero  reemplazando  la muestra 

por  agua  ultrapura.  Finalmente,  se  agitaban  las  mezclas  y  se  medía  la 

absorbancia a 260 nm pasados 10‐15 min.  

Teniendo en cuenta  la Ley de Beer,  la  concentración molar de peróxido de 

hidrógeno  en  la  muestra,  CH2O2,  puede  determinarse  mediante  la  siguiente 

expresión: 

 

2 2

2 2

Co(II) H O Co(II) H Om 0 T

H O260nm m

Abs Abs Abs Abs VC

c V

  (2.2) 

donde  (AbsCo(II))0  y  (AbsH2O)0    son  las  absorbancias del  blanco  en  presencia  y 

ausencia de Co(II), respectivamente; (AbsCo(II))m y (AbsH2O)m las absorbancias de 

la  muestra  en  presencia  y  ausencia  de  Co(II),  respectivamente;  260nm  la 

absortividad molar del complejo  formado a 260 nm; c el camino óptico  (1 cm); 

VT el volumen total (12 mL) y Vm el volumen de muestra (1 mL).  

2.2.1.8. Determinación de la concentración de hierro total en disolución 

Para determinar  la  concentración de hierro  total  se utilizó un kit  comercial 

(Spectroquant, Merck). El método se basa en la reducción del Fe(III) existente a 

Fe(II)  y  posterior  formación  de  un  complejo  estable  de  color  violeta  entre  el 

Fe(II)  y  la  ferrozina  presente  en  el  reactivo  comercial  [3]. Dicho  complejo  se 

analiza mediante espectrofotometría de absorción a 565 nm.  

Para el análisis, 3 gotas de reactivo comercial se añadían a 5 mL de muestra o 

Page 95: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

79 

 

de muestra  diluida,  según  fuera  necesario  en  función  de  la  concentración  de 

hierro  total en  la muestra. Pasados quince minutos se analizaba  la absorbancia 

de las mezclas a 565 nm.  

De acuerdo con la Ley de Beer, la concentración molar de especies de hierro 

en disolución en la mezcla, CFeT, viene dada por la ecuación (2.3): 

 

T

m 0 TFe

565nm m

Abs Abs VC

c V

  (2.3) 

donde Abs0 la absorbancia del blanco (5 mL de agua y 3 gotas de reactivo); Absm 

la absorbancia de la muestra; 565nm la absortividad molar del complejo a 565 nm 

(27044 M‐1 cm‐1, [8]); c el camino óptico (1 cm); VT el volumen total de la muestra 

final (5 mL); y Vm el volumen de muestra no diluida.  

2.2.1.9. Determinación de la concentración de hierro (II) en disolución 

La  concentración de Fe(II)  en disolución  se determinó mediante  el método 

propuesto por Zuo en 1995 [4], basado en la medida de la absorbancia a 510 nm 

del complejo coloreado formado entre el ion ferroso y la o‐fenantrolina en medio 

ácido acético/acetato de pH comprendido entre 3 y 4. A 510 nm el coeficiente de 

extinción molar de este complejo es 11023 M‐1 cm‐1 [9]. 

Para  llevar  a  cabo  el  análisis,  en  primer  lugar  se  preparaban  los  reactivos 

necesarios: tampón de ácido acético/acetato 0,1 M de pH entre 3 y 4 (preparado 

tomando  572  L  de  ácido  acético  glacial  y  enrasando  a  100  mL  con  agua 

ultrapura);  disolución  de  1,10‐fenantrolina  al  0,2  %  en  peso  (preparada 

disolviendo  0,2  g  de  la  sal  en  100 mL  de  agua  ultrapura, manteniéndose  la 

disolución  refrigerada  y  preservada  de  la  luz);  y  disolución  de  fluoruro  de 

amonio 2 M (preparada disolviendo 7,4 g de la sal en 100 mL de agua ultrapura). 

Una vez preparados, en un vial que contenía 1,5 mL de tampón acético/acetato y 

1 mL de o‐fenantrolina, se añadían 5 mL de la muestra a analizar  (diluida si fue 

necesario).  Se  agitaba  la muestra  y  se  adicionaba  1 mL  de  fluoruro  amónico. 

Transcurridos al menos 20 minutos se medía  la absorbancia de la mezcla a 510 

Page 96: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

80 

 

nm.  El  blanco  se  preparaba  en  idénticas  condiciones  pero  sustituyendo  la 

muestra por 5 mL de agua ultrapura.  

De  acuerdo  con  la Ley de Beer,  en  ausencia de  cualquier otra  especie que 

absorba  radiación  a  510  nm  la  concentración molar  de  Fe(II)  en  la muestra 

analizada, CFe(II) , vendrá dada por:  

  m 0 T

Fe(II)510nm m

Abs Abs VC

c V

  (2.4) 

donde Abs0  es  la  absorbancia del  blanco; Absm  la  absorbancia de  la muestra;       

510nm  la  absortividad molar  del  complejo  o‐fenantrolina‐Fe(II)  a  510  nm;  c  el 

camino óptico (1 cm); VT el volumen total (8,5 mL) y Vm el volumen de muestra 

no diluída (5 mL).  

2.2.1.10. Determinación de la intensidad de radiación 

En  la  práctica,  la  actinometría  se  considera  la  herramienta  que  permite 

determinar  la cantidad  total de  la  luz absorbida en un proceso  fotoquímico y, 

con ello, la determinación de la intensidad de la luz que las lámparas empleadas 

ofrecen  y  la  calibración  de  los  equipos  de  irradiación.  Así,  la  intensidad  de 

radiación  del  sistema  dotado  con  lámparas  UVA mostrado  en  la  Fig.  2.1  se 

determinó  con  ayuda  del  actinómetro  de  Parker  [5],  basado  en  la  reducción 

fotoquímica del Fe(III) presente en el complejo ferrioxalato [Fe(C2O4)3]3‐ a Fe(II). 

La  fotorreducción  tiene  lugar  con  un  rendimiento  cuántico  de  1  ‐  1,2                        

mol einstein‐1 en el  intervalo de  longitudes de onda comprendidas entre 250  ‐ 

450 nm [10]. El rendimiento cuántico de un determinado proceso fotoquímico es 

la relación entre la cantidad de reactante consumido (o de producto formado) en 

la fotorreacción, y la cantidad total de luz absorbida por el sistema a la longitud 

de onda utilizada en dicho proceso. 

Para  llevar  a  cabo  la  actinometría,  en  primer  lugar    se  preparaba  1  L  de 

disolución  de  ácido  perclórico/perclorato  de  fuerza  iónica  0,03 M  y  pH  =  2 

(ajuste con hidróxido sódico). Por otra parte, en sendos matraces aforados de 100 

Page 97: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

81 

 

mL de capacidad se preparaba una disolución de concentración 1,5 M en ácido 

oxálico  y  otra  de  concentración  5x10‐2 M  en  Fe(III),  ambas  en  medio  ácido 

perclórico/perclorato. El reactor se cargaba con 800 mL de la disolución inicial de 

ácido perclórico/perclorato y  se añadían  los 100 mL de  la disolución de ácido 

oxálico.  A  continuación,  se  ponía  en  marcha  el  sistema  de  agitación  y  se 

eliminaba el posible oxígeno disuelto mediante el burbujeo de una corriente de 

nitrógeno. Pasados unos 20 minutos se tomaba una muestra inicial y se añadían 

los 100 mL de la disolución de Fe(III), obteniéndose así una disolución final de 

actinómetro Na3[Fe(C2O4)3]  de  concentración  5x10‐3 M. Alcanzado  el  régimen 

estacionario de emisión de las lámparas, se introducía el reactor en la instalación 

y a distintos intervalos de tiempo se extraían alícuotas y se procedía al análisis 

del Fe(II) generado en la fotorreducción del  Na3[Fe(C2O4)3].  

En  ausencia  de  cualquier  otra  especie  susceptible  de  fotorreaccionar,  la 

velocidad  con  la  que  fotorreduce  el  ferrioxalato  o,  lo  que  es  lo  mismo,  la 

velocidad con la que aparece el Fe(II), viene dada por la expresión: 

  Fe(III) Fe(II)0 act

dC dCI ∙ ∙ 1 exp 2,303∙L∙ ∙C

dt dt   (2.5) 

donde I0 es la intensidad de la radiación incidente; φ el rendimiento cuántico de 

la reacción fotoquímica a la longitud de onda de la radiación; L el paso efectivo 

de  radiación  a  través  del  reactor;  ԑ  el  coeficiente  de  extinción  molar  del 

ferrioxalato (500 M‐1 cm‐1 a 365 nm; [11]); y Cact la concentración de actinómetro. 

Para  valores  del  término  2,303∙L∙ԑ∙Cact  superiores  a  2,  como  ocurre  en  las 

condiciones de trabajo elegidas, la ecuación (2.5) se simplifica en la (2.6): 

 Fe(III) Fe(II)

0

dC dCI ∙

dt dt   (2.6) 

de manera que  la  representación de  la evolución de  la concentración de Fe(II) 

con el  tiempo debe dar  lugar a una  línea  recta de pendiente  I0∙φ. Dado que el 

valor de φ es conocido, puede obtenerse finalmente el valor de  la  intensidad o 

Page 98: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

82 

 

caudal de radiación incidente, I0. 

De  esta  forma  se obtuvo para  la  instalación de  luz negra de  la Fig.  2.1 un 

valor de I0 = 4,43x10‐7 einstein s‐1. 

2.2.1.11. Determinación de la concentración de formaldehído en disolución  

El  método  empleado  para  la  determinación  de  la  concentración  de 

formaldehído  fue  el  propuesto  por  Nash  en  1953  [6],  basado  en  el  análisis 

espectrofotométrico a 412 nm de  la 3,5‐diaceti‐1,4‐dihidrolutidina, producto de 

la  reacción  entre  el  formaldehído  y  la  acetilacetona  en  presencia  de  iones  de 

amonio, conocida como reacción de Hantzsch.  

En un vial de vidrio se  introducían 2 mL de una mezcla de acetilacetona y 

acetato de amonio (preparada por adición de 0,2 mL de acetilacetona, 3 mL de 

ácido acético y 25 g de acetato de amonio a un matraz aforado de 100 mL de 

capacidad,  enrasando  con  agua  ultrapura),  y  se  añadían  entre  1  y  5 mL  de 

muestra a analizar, completándose con agua ultrapura hasta  los 5 mL si  fuera 

necesario. Las mezclas obtenidas eran calentadas a 50 °C durante 30 minutos en 

la oscuridad, atemperadas y analizadas espectrofotométricamente. El blanco se 

preparaba  de  la misma  forma  añadiendo  5 mL  de  la muestra  a  tiempo  cero 

(muestra que no contenía formaldehído).  

Previamente, mediante  el  análisis  de disoluciones  patrón  de  formaldehído 

obtenidas  a  partir  del  reactivo  comercial,  se  determinó  para  la 

diacetilhidrolutidina  una  absortividad  molar  de  7890  M‐1  cm‐1  a  412  nm. 

Asimismo,  se  calculó  un  valor  del  límite  de  detección  de  este  método  de               

6,57x10‐7 M. 

En  base  a  la  Ley  de  Beer,  la  concentración molar  de  formaldehído  en  la 

muestra, CCH2O, puede determinarse mediante la siguiente expresión: 

Page 99: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

83 

 

 

2

m 0 TCH O

412nm m

Abs Abs VC

c V

  (2.7) 

donde Abs0  es  la  absorbancia  del  blanco  y Absm  la  de  la muestra  analizada; 

412nm  la  absortividad molar de  la diacetilhidrolutidina  a  412  nm;  c  el  camino 

óptico (1 cm); VT el volumen total (7 mL) y Vm el volumen de muestra (1 ‐ 5 mL).  

2.2.1.12. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) 

La demanda química de oxígeno de una muestra de agua (DQO) representa 

la  cantidad de oxígeno necesaria para oxidar  la materia orgánica  e  inorgánica 

oxidable  presente  en  la misma.  Para  su  análisis  se  ha  empleado  un método 

colorimétrico de reflujo cerrado [7], en el que la muestra se oxida con dicromato 

de potasio en medio ácido sulfúrico y en caliente (148 °C), utilizando sulfato de 

plata como catalizador. La  interferencia debida a  la posible presencia de  iones 

cloruro se neutraliza adicionando sulfato de mercurio al medio de reacción, que 

precipita como cloruro de mercurio. La reducción de Cr(VI) a Cr(III) que  tiene 

lugar  se  evalúa  fotométricamente por  la disminución del  color  amarillo de  la 

mezcla. 

El análisis de DQO se llevó a cabo empleando cubetas test LCK 414 de Hach 

Lange (válidas para el rango de DQO de 5 a 60 mg L‐1 de O2), añadiendo 2 mL 

de muestra según el procedimiento  indicado por el  fabricante. A continuación 

las  cubetas  se  introducían  en  un  termorreactor  Hach  Lange  modelo  LT200 

precalentado  a  148  °C  y  se  mantenía  la  digestión  durante  2  horas  a  dicha 

temperatura.  Transcurrido  ese  tiempo,  se  dejaba  que  los  viales  alcanzaran 

temperatura  ambiente  y  se  analizaba  el  valor  de  DQO,  proporcionado 

directamente por un espectrofotómetro DR2800 de Hach Lange. 

2.2.1.13. Determinación de la biodegradabilidad: demanda biológica de oxígeno (DBO) 

La  demanda  biológica  de  oxígeno  de  una  muestra  de  agua  (DBO5), 

representa la cantidad de oxígeno consumido por microorganismos aerobios en 

la  degradación  de  la  materia  orgánica  biodegradable  presente  en  la  misma 

Page 100: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

84 

 

durante  un  tiempo de  incubación de  5 días. Es,  por  tanto, una medida de  la 

biodegradabilidad de un agua en condiciones aerobias. 

El análisis de DBO5 del efluente de la EDAR de Badajoz antes/después de su 

tratamiento se  realizó mediante el método manométrico, basado en  la pérdida 

de presión  en  el  interior de un  recipiente debida  al  consumo de  oxígeno por 

parte de las bacterias aerobias involucradas en el proceso. A la vez que degradan 

la materia orgánica, dichos microorganismos consumen el oxígeno disuelto en el 

agua y liberan dióxido de carbono que se retira del sistema por absorción sobre 

hidróxido  sódico. El consumo del oxígeno disuelto provoca el desplazamiento 

de  aire  desde  el  espacio  de  cabeza  al  agua  para  restablecer  el  equilibrio, 

creándose  así  una  depresión  tanto  mayor  cuanto  mayor  es  el  oxígeno 

consumido.  Para  determinar  la  demanda  biológica  de  la  materia  orgánica 

carbonácea el período de incubación es de cinco días.  

Para  llevar  a  cabo  el  análisis,  432  mL  de  la  muestra  previamente 

acondicionada  (filtrada  en  caso  de  ensayos  con  catalizador  y  con  un  pH 

comprendido entre 6,5 y 7,5) se introducía en un biómetro Oxitop®, dotado de 

tapón con dispositivo de medida de la presión del sistema, junto a unas gotas de 

disolución  inhibidora de nitrificación  (disolución 5g L‐1 de aliltiourea, 20 gotas 

por  litro), y 1 mL de inóculo, procedente de la  línea de recirculación de fangos 

activos  de  la  depuradora  de  aguas  residuales  urbanas  de  Badajoz.  A 

continuación, en el interior de la cápsula de goma que forma parte del tapón del 

biómetro,  se  introducían  2  o  3  lentejas  de  hidróxido  sódico  para  absorber  el 

dióxido de carbono  liberado. El biómetro, cerrado herméticamente, se colocaba 

en  una  cámara  de  incubación  termostatizada  a  20  °C  y  dotada  de  agitación 

individual para cada botella durante cinco días, periodo a lo largo del cual cada 

24 horas se almacenaba en la memoria el valor de DBO. 

2.2.1.14. Determinación de la absorbancia a 254 nm: Aromaticidad 

Los  compuestos  orgánicos  aromáticos  se  caracterizan  por  absorber 

fuertemente  la  radiación UV, por  lo  que  la medida de  la  absorbancia de una 

Page 101: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

85 

 

muestra de agua en esa zona del espectro es con frecuencia un  indicador de  la 

concentración de  este  tipo de  compuestos. Esta medida  suele  realizarse  a  254 

nm,  longitud  de  onda  que  minimiza  las  posibles  interferencias  de  otros 

compuestos y,  a  su vez, proporciona  las mayores bandas de  absorción de  los 

compuestos  de  interés.  En  este  trabajo,  las  medidas  espectrofotométricas  se 

llevaron a cabo empleando cubetas de cuarzo de 1 cm en las que se introducían 

las muestras de agua a analizar previamente filtradas. 

2.2.1.15. Determinación de la concentración de fosfatos en disolución 

La determinación de la concentración de fósforo en forma de fosfato (P‐PO43‐) 

en el efluente de la EDAR de Badajoz antes/después de su tratamiento, se llevó a 

cabo empleando el Kit LCK 349 de Lange (rango de medida comprendido entre 

0,15 y 4,5 mg L‐1).  

Los  iones  fosfato  reaccionan  en  disolución  ácida  con  iones  molibdato  y 

antimonio  formando  un  complejo  antimonilfosfomolibdato,  que  se  reduce  en 

presencia  de  ácido  ascórbico  a  azul  de  fosfomolibdeno,  compuesto  coloreado 

que  puede  analizarse  espectrofotométricamente.  La  digestión  previa  de  la 

muestra  a  100  °C  durante  60 min  (Digestor modelo  LT200  de Hach  Lange), 

conduce a la transformación de todo el fósforo de la muestra en fosfato, lo que 

permite determinar no solo el contenido en P‐PO43‐, sino también el contenido en 

fósforo total (PT). 

Para  llevar  a  cabo  el  análisis  se  siguió  el  procedimiento  indicado  por  el 

fabricante,  realizando  la  medición  fotométrica  con  ayuda  de  un 

espectrofotómetro DR2800 de Hach Lange. 

2.2.1.16. Determinación de la turbidez 

La  turbidez es una medida del grado de pérdida de  transparencia del agua 

debido  a  la  presencia  de  partículas  en  suspensión.  Se  mide  en  unidades 

Page 102: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

86 

 

nefelométricas de turbidez (NTU) y es una propiedad óptica que hace que la luz 

sea dispersada y absorbida, en lugar de ser transmitida. 

Para llevar a cabo el análisis se empleó un turbidímetro Hanna HI 93414, el 

cual  se  calibraba  con  la  ayuda  de  suspensiones  patrón  de  distinta  turbidez 

suministradas  por  Hanna  Instruments.  Este  instrumento  está  dotado  de  un 

sistema  óptico  que  incluye  una  lámpara  con  filamento  de  wolframio  para 

irradiar  la muestra de agua contenida en una cubeta de vidrio, un detector de 

luz dispersada y un detector de  luz  transmitida. Para el rango de medida  (0 a 

1000 NTU), el microprocesador del  instrumento calcula, a partir de  las señales 

que llegan a los dos detectores, el valor NTU mediante un algoritmo efectivo. 

2.2.1.17. Determinación de pH, conductividad y temperatura 

La medida  de  pH  se  efectuó  por  potenciometría  empleando  un  pH‐metro 

Crison GLP 21+ con electrodo combinado, para un  rango de pH comprendido 

entre 0 y 14 y un intervalo de temperatura de 0 a 80 °C. El pH‐metro se calibraba 

diariamente  con  disoluciones  amortiguadoras  de  pH  4,  7  y  9,  siguiendo  el 

manual del instrumento. 

La  conductividad  de  las  muestras  de  agua  se  midió  también  por 

potenciometría  con un  conductímetro Crison 524, el  cual  se  calibraba  con una 

disolución patrón de cloruro de potasio de concentración 0,01 M (conductividad 

1413  S  cm‐1  a  25  °C).  El  microprocesador  del  instrumento  mostraba 

directamente la conductividad de la muestra en pantalla. 

La medida  de  temperatura  se  realizó  con  un  termómetro  de  contacto  de 

laboratorio que permitía lecturas en el rango de 0 a 60 °C. 

2.2.2. Caracterización de los catalizadores empleados 

En  este  apartado  se  describen  las  técnicas  analíticas  y  los  equipos  que  se 

utilizaron para  llevar  a  cabo  la  caracterización de  los  catalizadores  ensayados 

durante esta  investigación, con el  fin de poder correlacionar sus características 

Page 103: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

87 

 

químico‐físicas  con  su  actividad  catalítica y/o  fotocatalítica. En  la Tabla  2.3  se 

resumen y clasifican todas las técnicas de caracterización empleadas en función 

el tipo de información que proporcionan, detallándose cada una de ellas en los 

apartados siguientes. 

Tabla 2.3. Clasificación de las técnicas y equipos de caracterización empleados. 

Determinación  Técnica de análisis  Equipo 

Análisis elemental: 

composición química 

Espectroscopía de emisión atómica 

de plasma por acoplamiento 

inductivo (ICP‐OES) 

Espectrofotómetro de 

emisión atómica ICP‐

OES Optima 3300DV 

(Perkin‐Elmer) 

Análisis estructural: 

fases cristalinas, 

tamaño de fases 

cristalinas, proporción 

de material amorfo, etc 

Difracción de Rayos X (XRD) Difractómetro de Rayos 

X Bruker D8 Advance 

Espectroscopía Raman 

Espectrómetro micro‐

Raman Nicolet Almega 

XR Dispersive (Thermo 

Scientific) 

Análisis termogravimétrico y 

térmico diferencial (TGA‐DTA) 

Termobalanza SETSYS 

Evolution‐16 (Setaram) 

Microscopía electrónica de 

transmisión (TEM) 

Microscopio electrónico 

de transmisión JEOL 

JEM‐2100F y 

microscopio electrónico 

de transmisión Tecnai 

G20 Twin (FEI 

Company) 

Análisis morfológico y 

textural: topografía 

superficial, área 

superficial, volumen y 

distribución de poros. 

Microscopía electrónica de barrido 

(SEM) 

Microscopio electrónico 

de barrido Hitachi        

S‐4800 

Isotermas de adsorción‐desorción 

de nitrógeno 

Equipo Autosorb‐1 

(Quantachrome) 

Análisis superficial: 

acidez, grupos 

superficiales, estado de 

oxidación y porcentajes 

atómicos en superficie 

Valoración másica para determinar 

el pH del potencial de carga cero 

(pHPZC)  

pH‐metro Crison GLP 

21+ con electrodo 

combinado 

Espectroscopía fotoelectrónica de 

Rayos X (XPS) 

Espectrómetro de 

fotoelectrones con 

fuente de Rayos X K‐ (Thermo Scientific) 

Page 104: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

88 

 

Tabla  2.3  (Continuación).  Clasificación  de  las  técnicas  y  equipos  de  caracterización 

empleados. 

Determinación  Técnica de análisis  Equipo 

Análisis de la 

propiedades 

electrónicas: ancho de 

la banda de energía 

prohibida 

Espectroscopía ultravioleta‐visible 

de reflectancia difusa  (DR‐UV‐Vis)

Espectrofotómetro      

UV‐Vis‐NIR Cary 5000 

(Varian‐Agilent) 

 

2.2.2.1. Espectroscopía de emisión atómica de plasma por acoplamiento inductivo (ICP‐

OES) 

La  espectroscopía de  emisión  atómica  es una  técnica de  análisis  elemental 

capaz  de  determinar  y  cuantificar  la  mayoría  de  los  elementos  de  la  tabla 

periódica en concentraciones desde % en peso hasta partes por millón [12]. Esta 

técnica está basada en la excitación de un electrón desde su estado fundamental 

hasta  un  nivel  energético  superior,  debida  a  la  absorción  de  radiación 

electromagnética.  El  átomo  así  excitado  vuelve  nuevamente  a  su  estado 

fundamental,  emitiendo  una  radiación  cuya  energía  es  característica  de  cada 

elemento en particular y cuya intensidad es proporcional a la cantidad de dicho 

elemento en la muestra analizada [12].  

Esta técnica se ha empleado para llevar a cabo el análisis del contenido total 

en W en algunos catalizadores, mediante un analizador ICP‐OES Perkin Elmer, 

modelo Optima 3300 DV, equipado con un detector UV. La disgregación de las 

muestras se llevó a cabo mediante digestión ácida, vía microondas.  

El  análisis  fue  realizado  por  la  Unidad  de  Apoyo  a  la  Investigación  del 

Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC (ICP‐CSIC). 

2.2.2.2. Difracción de Rayos X (XRD) 

La difracción de rayos X es una técnica muy utilizada para la identificación y 

caracterización  de  las  fases  cristalinas  presentes  en  un  sólido. Aprovechando 

Page 105: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

89 

 

que  las  estructuras  cristalinas  poseen  planos  (producidos  por  ordenamientos 

repetitivos de átomos), capaces de difractar rayos X, la medida de los ángulos en 

los que un haz de rayos X de longitud de onda determinada es difractado por la 

muestra  permite  obtener  los  diagramas  de  difracción.  El  espaciado  entre  dos 

planos hkl  (d), que es  la base de  la caracterización de  fases y estructura de un 

material,  está  relacionado  con  el  ángulo  de  difracción  2θ mediante  la  ley  de 

Bragg [13]: 

 n

d2 sen

  (2.8) 

donde d es la distancia interplanar, n un número entero que representa el orden 

de difracción y λ la longitud de onda de la fuente de rayos X.  

Esta  es  una  técnica muy  usada  por  su  carácter  no  destructivo,  rapidez  y 

mínima  cantidad  de  muestra  necesaria  para  identificar  las  fases  cristalinas, 

cuantificarlas, determinar el grado de cristalinidad y el tamaño del cristal.  

Para  la  determinación  de  las  dimensiones  del  cristal  se  puede  emplear  la 

ecuación de Scherrer [13]: 

 K

Lcos

  (2.9) 

siendo L el tamaño de cristal, K una constante relativa a un factor de forma del 

cristal (en ausencia de información detallada sobre la forma del cristal K = 0,9 es 

una buena aproximación para cristales esféricos [14]) y  la anchura a la mitad 

de la intensidad máxima de un pico seleccionado. 

La  señal de difracción emitida por un  sólido cristalino es una huella de su 

estructura  y  la  intensidad  de  las  líneas  de  difracción  es  función  de  la 

concentración  de  las  diferentes  fases  cristalinas.  Por  comparación  de  las 

distancias  interplanares  se puede determinar  la  fase  existente,  tomando  como 

referencia  las  correspondientes  a  los  compuestos  puros  [13].  Así,  cada 

compuesto  puro  tiene  un  difractograma  específico  y  unívoco  recogido  en  las 

fichas  estandarizadas  ASTM  en  la  base  de  datos  de  la  ICDD  (International 

Page 106: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

90 

 

Centre for Diffraction Data) [15].  

Las medidas de Difracción de Rayos X de distintos  catalizadores  en polvo 

fueron  realizadas  por  el  Servicio  de  Análisis  y  Caracterización  de  Sólidos  y 

Superficies  (SACSS) perteneciente  a  los  SAIUEx,  empleando un difractómetro 

Bruker D8 Advance, que utiliza  la radiación Kα del cobre  (= 0,1541 nm). Los 

difractogramas se registraron para valores de 2θ comprendidos entre 20° y 80° 

con paso de barrido de 0,02 s‐1 y tiempo de acumulación de 1 s por punto. 

A partir de la intensidad de las líneas de difracción es posible determinar de 

forma semicuantitativa el porcentaje de las diferentes fases cristalinas presentes. 

Para ello, el equipo dispone del software EVA v.14 (Bruker‐AXS) que, mediante 

el  método  RIR  (Reference  Intensity  Ratio),  determina  dichos  porcentajes 

basándose  en  la  relación  entre  las  intensidades  de  los  picos  de  cada  fase 

cristalina y la intensidad del corindón como patrón de referencia (Ip/Ipcor). 

2.2.2.3. Espectroscopía Raman 

La  espectroscopía  Raman  se  basa  en  el  efecto  Raman,  que  se  produce  al 

irradiar una sustancia con  luz de determinada  longitud de onda,  teniendo una 

parte de  la  luz dispersada una  longitud de onda distinta  [16]. Al  irradiar una 

sustancia con luz monocromática, la mayoría de la dispersión de luz se produce 

de forma elástica, es decir, no se produce un intercambio energético neto entre la 

radiación y la muestra y, por tanto, la luz dispersada tiene la misma longitud de 

onda que  la  luz  incidente,  fenómeno al que  se denomina dispersión Rayleigh. 

Sin embargo, una pequeña parte de  la  luz  incidente produce un  cambio en el 

estado  vibracional  del  sistema  y,  en  este  caso,  la  luz  dispersada  tiene  una 

longitud de onda distinta. Dentro de esta dispersión, conocida como dispersión 

Raman,  existen dos  tipos:  la dispersión Stokes,  en  la que  la  longitud de onda 

final es mayor que la del haz incidente; y la anti‐Stokes, que da lugar a una luz 

dispersa con longitud de onda menor que la del haz incidente [17].  

De  esta  manera,  la  espectroscopía  Raman  mide  frecuencias  vibracionales 

Page 107: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

91 

 

como  diferencias  energéticas  entre  la  luz  incidente  y  la  dispersada.  Estas 

diferencias  son  independientes de  la  frecuencia del haz  incidente. El  espectro 

Raman  se  representa  como  intensidad  frente a desplazamiento Raman,  siendo 

este la diferencia entre el número de onda de la luz dispersa y la de excitación.  

La espectroscopía Raman es muy útil en  la caracterización de sólidos, pues 

además  de  aportar  información  sobre  la  simetría  del  sistema  e  identificar  las 

fases  existentes  por medio  del  número,  intensidad  y  posición  de  las  bandas 

presentes en el espectro, permite realizar un análisis sobre efectos relacionados 

con  el  tamaño  de  partícula  y  la  presencia  de  defectos. Así,  por  ejemplo,  un 

incremento de la anchura de las bandas puede deberse a la no estequiometría de 

la muestra, ocasionada por la presencia de vacantes de oxígeno o bien inducida 

por la presencia de fases parcialmente reducidas minoritarias. 

Los  espectros  Raman  de  algunos  de  los  catalizadores  sintetizados  fueron 

obtenidos por el SAEM‐SAIUEx. Dichos espectros se  registraron en un equipo 

Nicolet  Almega  XR  Dispersive  micro‐Raman  (Thermo  Scientific)  con  una 

resolución espectral de 2 cm‐1. Como fuente de excitación se utilizó un láser de                 

λ = 633 nm, con la potencia del mismo al 100 %.  

2.2.2.4. Análisis termogravimétrico y térmico diferencial (TGA‐DTA) 

El análisis termogravimétrico (TGA) se basa en el registro de los cambios de 

peso  que  se  producen  en  un  material  al  someterlo  a  calentamiento  o 

enfriamiento a una velocidad conocida y en una atmósfera controlada. Por otro 

lado,  en  el  análisis  térmico  diferencial  (DTA)  se  registran  los  cambios  de 

temperatura que tienen lugar durante el tratamiento térmico con respecto a una 

sustancia de referencia térmicamente inerte. Cuando se realizan conjuntamente, 

estas  técnicas permiten determinar pérdidas de humedad, descomposiciones y 

transformaciones de fase, información a partir de la cual pueden establecerse las 

condiciones óptimas para llevar a cabo el tratamiento térmico de las muestras.  

Dado que una serie de  los catalizadores empleados en esta  investigación se 

Page 108: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

92 

 

prepararon por descomposición  térmica de un precursor  comercial,  se  llevó  a 

cabo el análisis  termogravimétrico y  térmico diferencial de dicho precursor. El 

análisis,  realizado  por  el  SACSS‐SAIUEx,  se  efectuó  en  una  termobalanza 

SETSYS Evolution‐16  (Setaram), con una balanza que detecta cambios de peso 

con una  resolución de 0,04 g. La muestra, normalmente entre 10 y 20 mg, se 

introducía en un crisol de alúmina, empleando un caudal de 50 mL min‐1 de aire 

e incrementando la temperatura desde temperatura ambiente hasta 600 °C a una 

velocidad de calentamiento de 5 °C min‐1.  

2.2.2.5. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) 

La  microscopía  electrónica  de  transmisión  (TEM)  permite  obtener 

información estructural y morfológica a nivel nanométrico. Mediante el empleo 

de  esta  técnica  se  pueden  identificar  las  distintas  fases  existentes  en  las 

partículas del catalizador, su cristalinidad y la dispersión en la que se encuentra 

la  fase  activa.  En  esta  técnica  un  haz  de  electrones  se  focaliza mediante  dos 

lentes condensadoras sobre una muestra delgada y transparente a los electrones. 

Después de atravesar la muestra, los electrones son recogidos y focalizados por 

la  lente  objetivo dentro de  una  imagen  intermedia  ampliada  que,  además,  es 

aumentada  con  las  lentes  proyectoras  y,  finalmente,  proyectada  sobre  una 

pantalla fluorescente o una película fotográfica [18].  

Las muestras  en  polvo  se  dispersaron  en  etanol  y  se  depositaron  en  una 

rejilla  de  cobre  recubierta  con  un  polímero  orgánico.  Una  vez  evaporado  el 

alcohol  se  procedió  al  análisis  en  un microscopio  electrónico  de  transmisión 

JEM‐2100F (JEOL) y en otro Tecnai G20 Twin (FEI Company). Ambos equipos, 

pertenecientes  a  ICP‐CSIC  y  SACSS‐SAIUEx,  respectivamente,  operaban  con 

una tensión de aceleración de 200 kV. 

2.2.2.6. Microscopía electrónica de barrido (SEM) 

La  microscopía  electrónica  de  barrido  (SEM)  es  una  técnica  que  permite 

obtener  información  estructural  y morfológica  a  nivel micrométrico  sobre  el 

Page 109: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

93 

 

tamaño y la forma de las partículas que constituyen un material sólido.  

En un microscopio electrónico de barrido se hace  incidir sobre una muestra 

gruesa y  opaca  a  los  electrones un haz delgado de  electrones  acelerados,  con 

energías desde cientos de eV hasta decenas de keV. El haz es desplazado sobre 

la  superficie  de  la  muestra  gracias  a  un  juego  de  bobinas  deflectoras, 

rastreándola. Cuando el haz primario entra en contacto con  la superficie de  la 

muestra,  parte  de  los  electrones  es  reflejada  y  otra  parte  penetra  unas  pocas 

capas atómicas, siguiendo una trayectoria complicada antes de volver a emerger 

a la superficie. La intensidad de estas dos emisiones varía en función del ángulo 

que forma el haz incidente con la superficie del material, es decir, depende de la 

topografía de la muestra. Las señales emitidas se recogen mediante un detector 

y  se  amplifican.  Como  resultado  se  obtiene  una  imagen  topográfica  de  la 

muestra muy ampliada [18].  

El  equipo  utilizado  para  la  adquisición  de  micrografías  de  SEM  de  los 

catalizadores, perteneciente  al  SACSS‐SAIUEx,  fue un microscopio  electrónico 

de barrido de  la marca Hitachi S‐4800. Se  trabajó con un voltaje de aceleración 

de 20‐30 kV y 500  ‐ 2000 de magnificación. Las muestras se dispersaron en un 

portamuestras  recubierto  de  carbono  y  un  adhesivo  para  mantener  fijas  las 

partículas de sólido. 

2.2.2.7. Isotermas de adsorción‐desorción de nitrógeno 

La  isoterma  de  adsorción  de  un  gas  se  define  como  la  cantidad  de  gas 

adsorbido  en  un  sólido  a  distintas  presiones  relativas  de  gas,  manteniendo 

constante  la  temperatura. Cada  punto  de  la  isoterma  obtenido  representa  un 

punto de equilibrio entre el volumen del gas adsorbido y la presión relativa del 

gas  (P/P0).  Una  vez  alcanzadas  presiones  relativas  próximas  a  la  unidad,  es 

posible  determinar  la  cantidad  de  adsorbato  que  permanece  retenido  para 

valores decrecientes de P/P0, conociéndose la curva resultante como isoterma de 

desorción. Las curvas de adsorción y desorción no  tienen por qué coincidir en 

un determinado intervalo de presiones relativas, denominándose a la diferencia 

Page 110: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

94 

 

entre  ambas  curvas  ciclo de histéresis. Para un  tipo de  sólido,  la  forma de  la 

isoterma  y  del  ciclo  de  histéresis  están  relacionados  con  las  diferencias  en  la 

energía de  interacción entre adsorbato y adsorbente y con  la estructura porosa 

(micro, meso  o macroporos)  del  sólido.  La mayoría  de  las  isotermas  que  se 

pueden encontrar en la bibliografía científica pertenecen a uno de los cinco tipos, 

denominados I a V, de la clasificación original de Brunauer, Deming, Deming y 

Teller  [19]  o  del  tipo VI  añadido  por  la  IUPAC  [20]. Asimismo  se  reconocen 

cuatro tipos de bucles de histéresis [21]. 

Las medidas experimentales de adsorción‐desorción de nitrógeno se llevaron 

a  cabo  a  ‐196°  C  en  un  equipo Autosorb  1  (Quantachrome)  perteneciente  al 

SACSS‐SAIUEx. Las muestras  fueron desgasificadas durante 24 horas a 250 °C 

con una presión de alto vacío (10‐4 Pa) para asegurar que la superficie estuviera 

libre de especies adsorbidas.  

Para  la determinación de  la  superficie específica a partir de esta  técnica,  la 

IUPAC recomienda la metodología desarrollada por Brunauer, Emmett y Teller 

[22], que desarrollaron la ecuación que hoy se conoce como BET (método BET). 

La  ecuación  BET  relaciona  el  volumen  de  gas  adsorbido  a  una  determinada 

presión relativa con el volumen adsorbido en una monocapa de adsorbato sobre 

el sólido.  

En  esta  investigación,  se  calculó  el  valor  de  la  superficie  específica  de  los 

catalizadores a partir de  los datos correspondientes a presiones  relativas entre 

0,02 y 0,15, procesando  los mismos  con ayuda del  software AS1winTM 2.01. El 

software  también permite determinar el volumen de microporos a partir de  la 

rama de adsorción de la isoterma mediante el método “t”, aplicando la ecuación 

de  Halsey  [23,24].  En  esta  determinación,  de  la  representación  del  volumen 

adsorbido frente al parámetro t se obtiene una recta cuya pendiente se relaciona 

con  el  área  externa  no  asociada  a  los  microporos.  De  esta  forma,  el  área 

microporosa  se  obtuvo  por  diferencia  entre  el  área  BET  y  el  área  externa. 

Finalmente, el volumen de mesoporos se determinó a partir de  la cantidad de 

Page 111: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

95 

 

nitrógeno adsorbido a la presión relativa de 0,96 en la rama de desorción de la 

isoterma, zona equivalente al  llenado de  todos  los poros de diámetro hasta 50 

nm,  restando  al  valor  obtenido  el  volumen  de  microporos  calculado  por  el 

método “t”. 

2.2.2.8. Determinación del pH del potencial de carga cero (pHPZC) por valoración másica 

Para  las  reacciones  en  medio  acuoso,  una  medida  que  da  una  buena 

indicación  acerca  del  carácter  ácido  o  básico  superficial  de  un  sólido  es  la 

determinación  del  pH  de  la  suspensión  acuosa  del  mismo  (en  terminología 

anglosajona “pH slurry”), el cual se relaciona con el pH del potencial de carga 

cero  (pHPZC)  dando  una  buena  indicación  acerca  de  la  carga  electrónica 

superficial del material [25]. 

Para la estimación del pHPZC de distintas muestras de catalizador se empleó 

el método de valoración másica propuesto por Subramanian et al. en 1988 [26]. 

Para  ello,  se determinó  el pH de  la disolución  acuosa  resultante de mantener 

una  suspensión  de  sólido  al  5  %  en  peso  en  agua  ultrapura,  con  agitación 

continua y en un recipiente cerrado. Transcurridas 24 horas se filtró la muestra y 

se midió  el  pH  del  agua  resultante  con  un  pH‐metro  Crison  GLP  21+.  Este 

procedimiento  se  repitió  dejando  la  muestra  en  agitación  hasta  que  el  pH 

medido alcanzó un valor constante. 

2.2.2.9. Espectroscopía fotoelectrónica de Rayos X (XPS) 

La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) es una de las técnicas de 

análisis químico englobadas bajo el nombre de ESCA (Electron Spectroscopy for 

Chemical  Analysis),  utilizada  para  determinar  el  estado  químico  y  la 

composición  superficial  de  materiales  sólidos.  Está  basada  en  el  efecto 

fotoeléctrico: al irradiar una muestra con fotones de energía superior a la energía 

de enlace de los electrones de sus átomos, dichos electrones salen del sólido con 

una energía cinética igual a la diferencia de energía entre el fotón y la energía de 

enlace  del  electrón.  En  este  sentido,  aunque  los  rayos  X  utilizados  pueden 

Page 112: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

96 

 

penetrar unas pocas micras en una muestra sólida, solo los electrones generados 

a unos pocos nanómetros de la superficie pueden salir del sólido. Esto se debe a 

que  los  fotoelectrones producidos  en  las  capas más  internas  sufren  colisiones 

inelásticas que provocan una pérdida de energía tal que no pueden abandonar la 

superficie  del material.  Por  tanto,  esta  técnica  es  especialmente  sensible  para 

análisis químico superficial, proporcionando  información química de  las 5  ‐ 10 

primeras capas atómicas del sólido.  

El espectro de XPS es la representación del número de electrones detectados 

en  un  intervalo  de  energías  frente  a  su  energía  cinética  o, más  comúnmente, 

frente  a  su  energía  de  enlace.  Las  variaciones  de  energía  de  enlace  de  un 

elemento  respecto  a  su  estado no  combinado  se deben  a  las diferencias  en  el 

potencial  químico  y  en  la  polaridad  de  los  compuestos,  por  lo  que  pueden 

usarse para identificar el estado químico de los elementos analizados dado que 

cada elemento tiene un conjunto de energías de enlace características [27,28]. 

El análisis de muestras de catalizadores por espectroscopía fotoelectrónica de 

rayos X  fue  realizado por el SACSS‐SAIUEx. Los espectros XPS  se obtuvieron 

utilizando  un  espectrómetro  de  fotoelectrones  K‐  de  Thermo  Scientific 

equipado con  fuente de  rayos X de Al Kα  (hν = 1253,6 eV), que operaba a un 

voltaje de 12 kV bajo vacío  (2x10‐7 mbar). Se realizaron espectros de detalle de 

los  elementos más  importantes  en  las muestras  y,  para  eliminar  el  efecto  de 

carga,  las energías de enlace se corrigieron utilizando como patrón el pico C1s 

(Energía de enlace 284,6 eV).  

En  todos  los  casos  el  espectro  XPS  se  resolvió  en  varias  componentes, 

ajustándose  cada  componente,  mediante  el  programa  de  tratamiento  de 

espectros XPSPEAK 4.0, a la curva experimental con una combinación lineal de 

curvas  lorentzianas  y  gaussianas  en  proporciones  variables  y  escogiendo  el 

mejor ajuste mediante minimización de residuos χ2. Las relaciones atómicas de 

los elementos en superficie se obtuvieron a partir de la siguiente ecuación [29]: 

Page 113: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

97 

 

 i i i

j j j

n I / S

n I / S   (2.10) 

donde ni es el número de átomos por cm3 del elemento i, Ii es la intensidad del 

pico  (generalmente  expresada  como  área)  y  Si  es  su  factor  de  sensibilidad 

atómica. 

2.2.2.10. Espectroscopía ultravioleta‐visible de reflectancia difusa (DR‐UV‐Vis) 

La  espectroscopía UV‐Vis  se  fundamenta  en  la  absorción  electrónica de  la 

radiación electromagnética cuando interacciona con la materia en el entorno de 

longitudes  de  onda  entre  190  nm  y  800  nm.  En  el  caso  de  los  catalizadores 

estudiados en este  trabajo  (semiconductores),  se observa  fundamentalmente  la 

transición de electrones desde  la banda de valencia a  la banda de conducción, 

cuya energía corresponde a esta región del espectro electromagnético.  

La medida de  la  reflectancia difusa se define como  la  fracción de  radiación 

incidente  que  es  reflejada  por  la muestra  en  todas  direcciones.  Para  ello,  se 

emplea  un  dispositivo  llamado  esfera  integradora,  consistente  en  una  esfera 

hueca recubierta en su interior de un material altamente reflectante, que envía la 

luz  reflejada por  la muestra  al detector  [30]. El  espectro  resultante  se  obtiene 

como tanto por ciento de reflectancia frente a la longitud de onda, fijando como 

100 % de reflectancia la obtenida para una muestra de referencia que no absorba 

luz en el rango de longitudes de onda utilizado (generalmente BaSO4).  

Cerca del borde de absorción se ha establecido que: 

  ngh A h E   (2.11) 

siendo h la constante de Planck, equivalente a 4,136x10‐15 eV s; A una constante; 

Eg  la energía del salto de banda en eV;   la frecuencia de  la radiación en s‐1; el 

exponente n que toma el valor de ½ para transiciones electrónicas directas; y  el 

coeficiente de absorción [31]. Este coeficiente se determina como: 

  ‐ln R   (2.12) 

Page 114: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

98 

 

donde R es el valor de reflectancia medida respecto a la unidad. 

De esta manera, reordenando la ecuación (2.11) se tiene que: 

  2gh A h E   (2.13) 

Si  se  representa  el  primer  término  de  la  ecuación  (h)2  frente  a  h  se 

determina el valor del salto de banda, Eg, como el corte en el eje h cuando α es 

igual a cero. 

Los  análisis  de  espectroscopía  UV‐visible  de  reflectancia  difusa  fueron 

realizados por el personal de  la Unidad de Apoyo a  la  Investigación del  ICP‐

CSIC,  en  un  equipo  UV‐Vis‐NIR  Cary  500  (Varian‐Agilent  Technologies) 

equipado  con  esfera  integradora,  registrando  espectros  de  absorbancia  y 

porcentajes de  reflectancia para  valores de  longitudes de  onda  comprendidos 

entre 200 y 900 nm a intervalos de 1 nm. 

2.3. REACTIVOS EMPLEADOS 

En  la  Tabla  2.4  se muestran,  clasificados  en  función  de  su  aplicación,  los 

productos químicos empleados a  lo  largo de esta  investigación,  indicándose  la 

pureza de los mismos y la casa comercial que los suministró.  

En  todos  los  casos  en  los que  fue necesaria  la preparación de disoluciones 

acuosas, se empleó agua ultrapura (grado de pureza milliQ‐Millipore). 

 

 

 

 

Page 115: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

99 

 

Tabla 2.4. Reactivos empleados. 

Reactivo  Pureza  Fabricante  Aplicación 

Acetaminofeno (C8H9NO2)  99 %  Sigma‐Aldrich 

Compuestos 

modelo y matriz 

para estudios de 

procesos de 

degradación en 

agua 

Agua residual urbana    EDAR Badajoz 

Antipirina (C11H12N2O)  99 %  Sigma‐Aldrich 

Cafeína (C8H10N4O2)  99 %  Sigma‐Aldrich 

Carbamazepina (C15H12N2O)  > 98 %  Sigma‐Aldrich 

Diclofenaco de sodio 

(C14H10Cl2NaO2) 99 %  Sigma‐Aldrich 

Hidroclorotiazida (C7H8ClN3O4S2) 99 %  Sigma‐Aldrich 

Ibuprofeno sódico (C13H17NaO2)  > 98 %  Sigma‐Aldrich 

Ketorolaco sal tris 

(C15H13NO3∙C4H11NO3) > 99 %  Sigma‐Aldrich 

Metanol (CH3OH) PAI‐ACS 

(grado HPLC)

Panreac 

Química 

Metoprolol tartrato 

(C15H25NO3)2∙C4H6O6) > 99 %  Sigma‐Aldrich 

N,N‐Dietil‐meta‐toluamida 

(C12H17NO) 97 %  Sigma‐Aldrich 

Sulfametoxazol (C10H11N3O3S)  > 98 % Fluka 

Biochemika 

Ácido clorhídrico (HCl)  36,7 % Fisher 

Chemical 

Ajuste de pH 

Ácido ortofosfórico (H3PO4)  85 % Panreac 

Química 

Ácido perclórico (HClO4)  70 % Panreac 

Química 

Hidróxido sódico (NaOH)  98 % Panreac 

Química 

     

     

 

 

Page 116: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

100 

 

Tabla 2.4 (Continuación). Reactivos empleados.  

Reactivo  Pureza  Fabricante  Aplicación 

Ácido cítrico (C6H8O7)  99 % Panreac 

Química 

Síntesis de 

catalizadores 

Ácido clorhídrico (HCl)  36,7 % Fisher 

Chemical 

Ácido nítrico (HNO3)  65 % Panreac 

Química 

Ácido oxálico dihidratado 

(C2H2O4∙2H2O) 99,5 %  Sigma‐Aldrich 

Ácido wolfrámico (H2WO4)  > 99 %  Sigma‐Aldrich 

Cloruro cálcico (CaCl2)  99 % Panreac 

Química 

Dióxido de titanio P25 (TiO2)  > 99 % Evonik‐

Degussa AG 

Disolución de amoníaco (NH4OH) 35 % Fisher 

Chemical 

Etanol (C2H6O)  99,5 % Panreac 

Química 

Hidróxido sódico (NaOH)  98 % Panreac 

Química 

Nitrato de cerio (III) 

hexahidratado (Ce(NO3)3∙6H2O) 99 %  Sigma‐Aldrich 

Trióxido de wolframio (WO3)  > 99 %  Sigma‐Aldrich 

Wolframato cálcico (CaWO4)  99,9 %  Sigma‐Aldrich 

Wolframato sódico (Na2WO4)  > 99 %  Sigma‐Aldrich 

Oxígeno comprimido (O2)  > 99,999 %  Abelló Linde Agente oxidante y 

obtención de ozono 

Acetonitrilo (C2H3N) PAI‐ACS 

(grado HPLC)

Panreac 

Química 

Determinación de 

la concentración de 

contaminantes 

modelo en agua e 

identificación de 

intermedios de 

degradación 

Ácido fórmico (CH2O2)  98 % Panreac 

Química 

Ácido ortofosfórico (H3PO4)  85 % Panreac 

Química 

 

Page 117: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

101 

 

Tabla 2.4 (Continuación). Reactivos empleados.  

Reactivo  Pureza  Fabricante  Aplicación 

Ácido ortofosfórico (H3PO4)  85 % Panreac 

Química 

Determinación de 

la concentración 

de ozono en 

disolución acuosa 

Fosfato diácido de potasio 

(KH2PO4) > 98 % 

Panreac 

Química 

Índigo carmín (5,5’,7‐

indigotrisulfonato de potasio, C16H8N2Na2O8S2) 

98 %  Sigma‐Aldrich 

Bicarbonato de sodio (NaHCO3)   99,7 % Panreac 

Química  Determinación de 

la concentración 

de peróxido de 

hidrógeno en 

disolución 

Calgón (Polifosfato de sodio, 

((NaPO3)n) 65 ‐ 70 % 

Panreac 

Química 

Cloruro de cobalto (II) 

hexahidratado (CoCl2∙6H2O) 99 % 

Panreac 

Química 

Acetato de amonio (CH3CO2NH4)  98 %  Sigma‐Aldrich 

Determinación de 

la concentración 

de formaldehído 

en disolución 

Acetilacetona 

(CH3COCH2COCH3) 99 %  Sigma‐Aldrich 

Ácido acético glacial (CH3COOH)  100 %  Merck 

Formaldehído (CH2O)  37 %  Sigma‐Aldrich 

Ácido acético glacial (CH3COOH)  100 %  Merck 

Determinación de 

la intensidad de 

radiación y de las 

concentraciones de 

Fe(II) y Fe total en 

disolución 

Ácido oxálico dihidratado 

(C2H2O4∙2H2O) 99,5 %  Sigma‐Aldrich 

Ácido perclórico (HClO4)  70 % Panreac 

Química 

Fluoruro de amonio (NH4F)  98 %  Sigma‐Aldrich 

Nitrógeno comprimido (N2)  > 99,999 %  Abelló Linde 

o‐Fenantrolina (C12H8N2∙H2O)  99 % Fluka 

Biochemika 

Perclorato de hierro(III) hidratado 

(Cl3FeO12∙xH2O) PA‐ISO  Sigma‐Aldrich 

Reactivo para análisis fotométrico 

de hierro, Spectroquant ‐  Merck 

Page 118: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

102 

 

Tabla 2.4 (Continuación). Reactivos empleados.  

Reactivo  Pureza  Fabricante  Aplicación 

Ácido clorhídrico (HCl)  36,7 % Fisher 

Chemical 

Determinación de 

la concentración 

de carbono 

orgánico total en 

disolución 

Ácido ortofosfórico (H3PO4)  85 % Panreac 

Química 

Aire sintético comprimido (O2/N2) 21 ± 0,5 % O2  Abelló Linde 

Bicarbonato de sodio (NaHCO3)  PA‐ISO Nacalai Tesque

Carbonato de sodio (Na2CO3)  PA‐ISO Nacalai Tesque

Ftalato ácido de potasio 

(KHC8H4O4) PA‐ISO  Nacalai Tesque 

Ácido acético glacial (CH3COOH)  100 %  Merck 

Determinación de 

la concentración 

de algunos ácidos 

orgánicos e iones 

inorgánicos en 

disolución 

Ácido fórmico (CH2O2)  98 % Panreac 

Química 

Ácido oxálico dihidratado 

(C2H2O4∙2H2O) 99,5 %  Sigma‐Aldrich 

Ácido sulfúrico (H2SO4)  95 ‐ 98 % Panreac 

Química 

Carbonato de sodio (Na2CO3)  > 99,8 %  Sigma‐Aldrich 

Cloruro de sodio (NaCl)  99 % Panreac 

Química 

Fosfato de potasio dibásico 

(K2HPO4) > 98 % 

Panreac 

Química 

Nitrato de sodio (NaNO3)  99 % Panreac 

Química 

Piruvato de sodio (C3H3NaO3)  > 99 %  Sigma‐Aldrich 

Sulfato de sodio (Na2SO4)  99 % Panreac 

Química 

Ácido oxálico dihidratado 

(C2H2O4∙2H2O) 99,5 %  Sigma‐Aldrich 

Determinación de 

parámetros 

cinéticos Ácido p‐clorobenzoico (C7H5ClO2) > 98 %  Merck 

ter‐butanol(C4H10O)  99 % Panreac 

Química 

       

Page 119: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

103 

 

Tabla 2.4 (Continuación). Reactivos empleados.  

Reactivo  Pureza  Fabricante  Aplicación 

Cubetas test LCK 349  ‐  Hach‐Lange 

Determinación de 

la concentración 

de fosfatos en 

disolución 

Cubetas test LCK 414  ‐  Hach‐Lange 

Determinación de 

la demanda 

química de 

oxígeno 

Aliltiourea (C4H8N2O)  > 98 % Panreac 

Química  Determinación de 

la demanda 

biológica de 

oxígeno 

Hidróxido sódico (NaOH)  98 % Panreac 

Química 

Microorganismos aerobios  ‐  EDAR Badajoz 

     

BIBLIOGRAFÍA 

[1]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456. 

[2] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination of 

residual hydrogen peroxide”. Water & Sewage Works (1977) 69‐72. 

[3] Stookey, L.L. “Ferrozine‐ A new spectrophotometric reagent for iron”. Anal. 

Chem. 42 (1970) 779‐781. 

[4] Zuo, Y.  “Kinetics  of  photochemical/chemical  cycling  of  iron  coupled with 

organic  substances  in  cloud  and  fog droplets”. Geochim. Cosmochim. Act.  59 

(1995) 3123‐3130. 

[5]  Hatchard,  C.G.;  Parker,  C.A.  “A  new  sensitive  chemical  actinometer.  II. 

Potassium  ferrioxalate  as  a  standard  actinometer”.  Proceedings  of  the  Royal 

Society, London Service A 235 (1956) 518‐536. 

[6]  Nash,  T.  “The  colorimetric  estimation  of  formaldehyde  by means  of  the 

Hantzsch reaction”. Biochemistry 55 (1953) 416‐421. 

[7] Moore, W.A.; Krorner, R.C.; Ruchchoff, C.C. “Dichromate reflux method for 

determination of oxygen consumed”. Anal. Chem. 21 (1948) 953‐957. 

[8] Rodríguez, E.; Mimbrero, M.; Masa, F.J.; Beltrán, F.J.  “Homogeneous  iron‐

catalyzed photochemical degradation of muconic acid  in water”. Water Res. 41 

Page 120: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 2   

104 

 

(2007) 1325‐1333. 

[9] Sandell, E.B.  “Colorimetric determination of  traces of metals”.  Interscience 

Pubs., New York 1959. 

[10] Goldstein, S.; Rabani, J. “The ferrioxalate and iodide‐iodate actinometers in 

the UV region”. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 193 (2008) 50‐55. 

[11]  Safarzadeh‐Amiri,  A.;  Bolton,  J.;  Cater,  S.  “Ferrioxalate‐mediated 

photodegradation of organic pollutants  in contaminated water”. Water Res. 31 

(1997) 787‐798. 

[12]  Faraldos, M.  en  “Técnicas  de Análisis  y  Caracterización  de Materiales”. 

Faraldos, M.; Goberna, C. (eds.), CSIC, Madrid (2003), cap. 9.  

[13]  Murcia‐Mascarós,  S.  en  “Técnicas  de  Análisis  y  Caracterización  de 

Materiales”. Faraldos, M.; Goberna, C. (eds.), CSIC, Madrid (2003), cap. 10. 

[14] Klug, H.P.; Alexander, L.E. “X‐ray diffraction procedures for polycrystalline 

and amorphous materials”. 2nd. Edition, John Wiley & Sons (1974). 

[15] www.icdd.com (consultada en enero de 2017). 

[16] Raman, C.V.; Krishnan, K.S. “A new  type of secondary radiation”, Nature 

121 (1928) 501‐502.    

[17] Bañares, M.A.; Valenzuela, R.X. en “Técnicas de Análisis y Caracterización 

de Materiales”. Faraldos, M.; Goberna, C. (eds.), CSIC, Madrid (2003), cap. 5. 

[18] Díaz, I.; Landa, A.R.; Otero, L.C. en  “Técnicas de Análisis y Caracterización 

de Materiales”. Faraldos, M.; Goberna, C. (eds.), CSIC, Madrid (2003), cap. 11. 

[19] Brunauer, S.; Deming, L.S.; Deming, W.S.; Teller, E. “On a theory of the van 

der Waals adsorption of gases”. J. Am. Chem. Soc. 62 (1940) 1723‐1732.   

[20] Haber, J. “Manual on catalyst characterization”. Pure Appl. Chem. 63 (1991) 

1227‐1246.  

[21]  Sing,  K.S.W.;  Everett,  D.H.;  Haul,  R.A.W.;  Moscou,  L.;  Pierotti,  R.A.; 

Rouquerol,  J.;  Siemieniewska,  T.  “Reporting  physisorption  data  for  gas/solid 

systems  with  special  reference  to  the  determination  of  surface  area  and 

porosity”. Pure Appl. Chem. 57 (1985) 603‐619. 

[22] Brunauer, S.; Emmett, P.; Teller, E. “Adsorption of gases in multimolecular 

Layers”. J. Am. Chem. Soc. 60 (1938) 309‐319.    

[23] Halsey, C.P. “Physical adsorption on non‐uniform surfaces”. J. Chem. Phys. 

16 (1948) 931‐937.  

[24]  Lippens,  B.C.;  Linsen,  B.G.;  de  Boer,  J.H.  “Studies  on  pore  systems  in 

catalysts  I. The  adsorption  of nitrogen;  apparatus  and  calculation”.  J. Catal.  3 

Page 121: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                          Materiales y métodos experimentales 

105 

 

(1964) 32‐37. 

[25] Menéndez, J.A.; Illán‐Gómez, M.J.; León y León, C.A.; Radovic, L.R. “On the 

difference between the isoelectric point and the point of zero charge of carbons”. 

Carbon 33 (1995) 1655‐1657.   

[26]  Subramanian,  S., Noh,  J.S.,  Schwarz,  J.A.  “Determination  of  the  point  of 

zero‐charge of composite oxides”. J. Catal. 114 (1988) 433‐439. 

[27] Moulder, J.F.; Stickle, W.F.; Sobol, P.E.; Bomben, K.D.  Handbook of X‐Ray 

Photoelectron  Spectroscopy:  A  Reference  Book  of  Standard  Spectra  for 

Identification and Interpretation of XPS Data (Hardcover), Physical Electronics, 

Reissue ed. (1995). 

[28]  Campos,  J.M.  en  “Técnicas  de  Análisis  y  Caracterización  de Materiales 

Faraldos, M.; Goberna, C. (eds.), CSIC, Madrid (2003), cap. 12.  

[29] Wagner, C.D.; Davis, L.E.; Zeller, M.V.; Taylor,  J.A.; Raymond, R.H.; Gale, 

L.H. “Empirical atomic  sensitivity  factors  for quantitative analysis by  electron 

spectroscopy for chemical analysis”. Surf. Interf. Anal. 3 (1981) 211‐225. 

[30] Springsteen, A.  en “Applied Spectroscopy”, Workman,  J.; Springsteen, A. 

(eds.), Academic Press, San Diego (1998), cap.6. 

[31]  Serpone,  N.;  Lawless,  D.;  Khairutdinovt  R.  “Size  effects  on  the 

photophysical properties of colloidal anatase TiO2 particles: size quantization or 

direct  transitions  in  this  indirect  semiconductor?”  J.  Phys.  Chem.  99  (1995) 

16646‐16654. 

Page 122: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 123: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3) PAPER 1: On ozone-photocatalysis synergism in black-light induced reactions: Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis

E. Mena, A. Rey, B. Acedo, F.J. Beltrán, S. Malato

Chemical Engineering Journal 204-206 (2012) 131-140

ABSTRACT. The synergism produced between ozone and TiO2 black light photocatalytic oxidation of methanol has been studied following the rate of formaldehyde formation during photocatalytic oxidation, ozonation and photocatalytic ozonation experiments. Methanol was selected as a model compound due to its low reaction rate with molecular ozone and its scavenging character for both, free hydroxyl radicals and trapped holes. TiO2-P25 was used as photocatalyst and black light blue lamps (emitting with a maximum at 365 nm) as radiation source. The effect of ozone concentration and pH was evaluated. Absorbed light intensity by the photocatalyst was also determined to calculate the quantum yields of photocatalytic reactions. Three main processes need to be considered during photocatalytic ozonation: direct ozone-methanol reaction, indirect ozone reactions and photocatalytic reactions, which allow calculating the quantum yield of photo-generated oxidizing species. The presence of ozone exerts a positive effect in the reaction rate of oxidizing species formation due to light induced reactions also enhancing the quantum yield from 0.34 to 0.80 mol einstein-1 at pH = 3 (where indirect ozone reactions are negligible). This parameter increased from 0.29 to 3.27 mol einstein-1 at pH = 7 likely due to indirect ozone reactions that cannot be disregarded. The positive effect of ozone in the photocatalytic induced reactions has been attributed to the reaction of dissolved ozone and hydrogen peroxide (formed upon methanol direct ozonation) as electron acceptors, thus reducing the recombination process on the catalyst surface to some extent. A simplified economic study is also presented.

Keywords: Photocatalytic ozonation, ozone, TiO2, synergism, methanol, formaldehyde.

Page 124: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 125: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

109 

 

3.1. INTRODUCTION 

Wastewater is one of the most important problems in industrialized regions. 

Many of  these  effluents  contain high  concentrations of organic pollutants  that 

must  be  removed  in  order  to  fulfill  the  required  limits  of  the  increasingly 

restrictive  legislation.  In  this  context,  photocatalytic  detoxification  treatments 

based on TiO2 semiconductor have been the focus of numerous investigations in 

the last 30 years for the destruction of undesirable contaminants in water [1‐3]. 

In  heterogeneous  photocatalysis,  photoinduced  holes  and  electrons  in 

semiconductor particles,  through a complex  reaction mechanism, give place  to 

highly  oxidizing  species  which  play  a  key  role  in  degradation  of  organic 

pollutants.  The most  commonly  used  semiconductor  has  been  polycrystalline 

powders of titanium dioxide due to unique properties such as chemical stability, 

safety  and  low  cost  [2].  However,  its  photohole‐electron  recombination  is  a 

serious problem  for  the development  of photocatalytically  based  technologies 

since  it  severely  limits  the  quantum  yields  achievable  [2‐4].  Several  strategies 

have  been  proposed  to  minimize  this  problem  and  increase  the  process 

efficiency  (ion  doping,  different  semiconductors  coupling,  using  chemical 

oxidants or combining photocatalysis with other advanced oxidation processes 

(AOPs)  [2]).  Among  them,  the  combination  of  ozone  and  heterogeneous 

photocatalysis with TiO2  (photocatalytic ozonation) has demonstrated  to be an 

efficient treatment enhancing the formation of oxidizing species compared to the 

single ozonation or photocatalytic processes [5,6]. 

When  a  semiconductor  (e.g.  TiO2)  is  irradiated  with  a  photon  of  energy 

greater  than  its  band  gap  energy  an  electron/hole  pair  is  formed  in  the 

conduction band (CB) and valence band (VB), respectively. These mobile species 

can migrate  to  the  TiO2  surface  and/or  can  be  readily  trapped  forming  less 

mobile states (to simplify e‐/h+ stand for all the forms of holes and electrons). 

  2TiO h e h   (3.1) 

In addition, these species can give place to the recombination reaction (3.2): 

Page 126: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

110 

 

  2e h TiO   (3.2) 

The nature of  trapped holes has been controversially discussed  [7,8].  It has 

been  generally  assumed  that  adsorbed water  could  be  photo‐oxidized  giving 

place  to  surface  bounded  hydroxyl  radicals  ( sHO ).  However,  it  has  been 

reported that this reaction was kinetic and thermodynamically hindered [7] and 

the trapping phenomena by terminal oxygen ions of the TiO2 lattice (O ‐22TiO ) has 

been  proposed,  forming  terminal  protonated  or  deprotonated  radicals 

(depending on pH) [9,10]. Regardless of the reaction considered, the formation 

of hydroxyl radicals in the TiO2 surface can be described as: 

 2‐

2 TiO2H O/O

‐s sh HO (O )   (3.3) 

In addition, oxygen when present on the particle surface, acts as an electron 

acceptor according to reaction (3.4): 

  •

2 2e O O ‐   (3.4) 

Superoxide ion radicals ( •‐2O  ) may give place to hydrogen peroxide that can 

react with TiO2 electrons and/or additional  •‐2O ,  forming  free hydroxyl radicals 

through reactions (3.5) and (3.6): 

  2 2 22 2O O 2H H O O‐ ‐   (3.5) 

  2 2 2 2e O H O HO HO O   (3.6) 

In this complex (but simplified) reaction mechanism, free hydroxyl radicals,

•HO ,  and/or  trapped  holes  ( s sh HO / O )  may  be  responsible  of  the  non‐

selectively  organic matter  oxidation  and mineralization  (reaction  (3.7)),  being 

this process among the most studied AOPs. 

  2 2HO (h ) R R ʹ HO (h ) ... CO H O   (3.7) 

When ozone is present, it can react directly and selectively with some organic 

compounds (i.e. aromatic and substituted aromatic compounds, molecules with 

Page 127: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

111 

 

unsaturated  bonds  e.g.  ‐C=C‐,  ‐C≡C‐,  ‐C=N,  ‐C=O,  etc.)  through  different 

reaction  mechanisms  (mainly  cycloaddition  reactions  and/or  electrophilic 

substitution)  included  in  ‘‘direct  ozone  reactions’’  terminology  (reaction  (3.8)) 

[11]. 

  3 2 2zO R R ʹ H O   (3.8) 

On the other hand, the presence of radical species (mainly •HO ) coming from 

the decomposition of ozone in water gives place to the non‐selectively oxidation 

of  the  organic  compounds  in water  (indirect  ozone  reactions),  process  that  is 

favored in alkaline media [11]: 

  3 2 2O HO HO O   (3.9) 

  •• ‐3 2 2 3O HO HO O   (3.10) 

  ••pKa 4.8 ‐

2 2HO O H   (3.11) 

  • •‐ ‐3 22 3O O O O   (3.12) 

The generated ozonide radical ( •‐3O  ) rapidly reacts with H+ in the solution to 

give  •

3HO  radical, which evolves to give O2 and  •HO  (reactions (3.13) and (3.14)). 

  • •‐3 3O H HO   (3.13) 

  •

23HO HO O   (3.14) 

The benefits of using the combined process, photocatalytic ozonation, are not 

only  related  to  the  sum  of  individual  processes  but  also  to  the  fact  that  the 

dissolved ozone can readily react with electrons at the TiO2 surface according to 

reaction (3.15) giving place to the ozonide ion radical:   

  •‐3 3O e O   (3.15) 

As a consequence, the recombination of electrons and positive holes may be 

reduced by this reaction (3.15) and also by reaction (3.6) due to the presence of 

Page 128: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

112 

 

higher H2O2  concentration  in  the  reaction medium,  eventually  formed during 

direct  ozonation  reactions  (reaction  (3.8))  [12‐14]. With  this  reaction  scheme  a 

synergistic effect between ozone and semiconductor photocatalysis  is expected 

due  to  the  larger  amount  of  oxidizing  species  formed  (hydroxyl  radicals, 

bounded hydroxyl  radicals  and/or positive holes). This has been observed  for 

the photocatalytic ozonation of  several organic  compounds  in water  [2,5,6,15‐

19]. 

Some  of  the  target  compounds  subjected  to  photocatalytic  ozonation were 

complex molecules that present high direct ozone‐organic rate constants and/or 

also  complicated  reaction  pathways  involving  several  steps  with  different 

intermediate  species  [5,16,19].  This  makes  difficult  to  analyze  the  reaction 

mechanism,  the  species  involved  in  the oxidation  steps  and/or  the  synergistic 

effect between ozone and photocatalysis. In that sense, it would be interesting to 

test  the  photocatalytic  ozonation  process  using  small  and  refractory  to  direct 

ozone reactions organic compounds. 

In  this  work  methanol  has  been  selected  due  to  its  known  scavenging 

character of hydroxyl radicals (kHO = 9.7x108 M‐1 s‐1, [20]) and because it has been 

commonly  used  to  test  the  photocatalytic  efficiency  of  several  TiO2 materials 

since  it  also  reacts  with  photogenerated  holes  [9,10,21‐25].  In  addition, 

methanol‐ozone direct reaction takes place at slow reaction rate (kO3 = 0.024 M‐1 

s‐1)  [26].  Therefore,  it  is  expected  that  under  appropriate  experimental 

conditions,  the  formaldehyde  evolution  (formaldehyde  is  the  first  product  of 

methanol  oxidation)  gives  information  about  the production  rate  of  oxidizing 

species  (different  from  O3).  The  aim  of  this  work  was  then  to  evaluate  the 

production of photo‐generated oxidizing species (hydroxyl radicals and positive 

holes)  using  methanol  as  target  compound  comparing  both,  photocatalytic 

oxidation and photocatalytic ozonation, to determine the true quantum yield of 

photocatalytic  reactions,  and  to  state  the  synergy  degree  between  ozone  and 

irradiated  semiconductor  during  photocatalytic  ozonation.  To  our  knowledge 

Page 129: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

113 

 

the  determination  of  the  quantum  yield  of  photo‐generated  oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  has  not  been  studied  before with  any 

target compound. 

3.2. EXPERIMENTAL SECTION 

3.2.1. Experimental set‐up and oxidation/ozonation procedure 

Ozonation,  photocatalytic  oxidation  and  photocatalytic  ozonation 

experiments were carried out  in a 1 L slurry cylindrical reactor equipped with 

magnetic stirring and inlets for measuring temperature, feeding the gas (oxygen 

or  ozone‐oxygen)  through  a  porous  plate  situated  at  the  reactor  bottom, 

sampling  port  and  outlet  for  the  non‐absorbed  gas.  In  photocatalytic 

experiments, the reactor was illuminated with 2 black light blue (UVA radiation) 

fluorescent lamps (15 W each, from HQPower) placed inside a black box. 

The reactor was charged with an aqueous solution containing methanol (2 M, 

CH3OH HPLC grade from Panreac) and TiO2 (0.5 g L‐1, Degussa P25, in catalytic 

experiments). Initial pH was set to 3 with HClO4, pH = 7 with NaOH or buffered 

at  pH  =  7 with H3PO4  (30 mM)  and NaOH  (from Panreac).  In  photocatalytic 

experiments, the reactor was then exposed to the radiation (lamps were turned 

on  30 min  before  to  stabilize).  In  ozonation  experiments  a mixture  of  ozone‐

oxygen gas  (30 L h‐1, 10  ‐ 30 mg L‐1) was also continuously  fed  to  the  reactor. 

Ozone  was  generated  from  pure  oxygen  in  a  Sander  laboratory  ozonator. 

Temperature  was  maintained  at  25  °C  during  the  reaction  time.  Reaction 

samples  were  withdrawn  from  the  reactor  at  regular  intervals  for  60  min 

reaction  time,  and  then  filtered  through  syringe  PET  membrane  filters 

(Chromafil Xtra, 0.20 m). The evolution of  the reaction was  followed  through 

the  determination  of  formaldehyde  (primary  product  of methanol  oxidation), 

hydrogen peroxide, dissolved ozone  concentration, ozone  concentration  in  the 

outlet gas and pH. 

Formaldehyde  was  determined  by  the  Nash  method  [27],  based  on  the 

Page 130: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

114 

 

Hantzsch  reaction.  In  this  assay,  2  mL  of  reagent  (0.2  mL  of  acetylacetone 

(Sigma‐Aldrich), 3 mL of acetic acid  (Panreac) and 25 g of ammonium acetate 

(Fluka) in 100 mL of water) are mixed with 5 mL of the sample and heated for 30 

min at 50  °C  in  the dark  [28]. Spectrophotometric measurements were  carried 

out  at  412  nm  (=  7890  M‐1  cm‐1)  using  a  Helios‐  Thermo  Spectronic 

spectrophotometer. Hydrogen peroxide concentration was determined through 

the  cobalt/bicarbonate method  [29],  at  260  nm  (=  26645 M‐1  cm‐1)  using  an 

Helios‐  spectrophotometer. Dissolved  ozone  concentration was measured  by 

following  the  method  proposed  by  Bader  and  Hoigné  [30]  based  on  the 

discoloration  of  a  5,5,7  indigotrisulphonate  solution  (=  600  nm,  Helios‐ 

spectrophotometer, = 20000 M‐1 cm‐1). Ozone  in  the gas phase was monitored 

by means of an Anseros Ozomat ozone analyzer, based on the absorbance at 254 

nm. 

3.2.2. Photon fluxes determination 

Ferrioxalate actinometry [31] was used to determine the incident photon flux, 

I0,  in  the photoreactor,  that was  found  to  be  2.66x10‐5  einstein min‐1.  In  these 

experiments the Fe(II) concentration was followed by the ‐fenantroline method 

[32] using  an Helios‐  spectrophotometer  at  510 nm  (=  11023 M‐1  cm‐1). The 

photon  flux  absorbed  by  the  catalyst,  Ia,  was  estimated  through  the 

determination  of  the  quantum  yield  of  formaldehyde  generation  in  the 

photoreactor.  This  was  obtained  by  applying  the  protocol  of  Serpone  and 

Salinaro  [33]  for  the  photocatalytic  oxidation  of  methanol,  analyzing  the 

formaldehyde  evolution  under  the  following  operating  conditions: methanol 

concentration from 0.5 to 2 M, TiO2 concentration from 0.025 to 3 g L‐1, pH0 = 7, 

pH  =  7  (buffered)  and  pH0  =  3  (adjusted with NaOH,  phosphate  buffered  or 

adjusted with HClO4, respectively) and oxygen saturated solution with 30 L h‐1 

gas  flow  rate. The  evolution of  the  reaction was  followed  as  explained  in  the 

previous section. For comparative purposes, additional photocatalytic oxidation 

experiments  were  carried  out  using  formic  acid  (0.01  M  CH2O2)  as  target 

Page 131: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

115 

 

compound  (0.5 g L‐1 TiO2, pH0 = 3). Formic acid was determined following  the 

evolution  of  the  CO2  formed  by  measuring  the  total  organic  carbon  (TOC) 

remaining in the solution using a TOC‐VSCH analyzer from Shimadzu.   

3.3. RESULTS AND DISCUSSION 

3.3.1. Absorbed photon flux 

The determination of the absorbed photon flux by the catalyst is a key issue 

in heterogeneous photocatalytic  reactions  that serves  to calculate  the quantum 

yield of the reaction according to the following equation: 

  ii

a

rreacted molecules mol i

absorbed photons I einstein

  (3.16) 

The  radiant  energy  used  in  a  photocatalytic  reaction  (absorbed,  Ia)  is 

generally lower than that impinging on the reacting system (I0) due to the light 

scattered or reflected by the suspended catalyst in the dispersion. The absorbed 

light  intensity  has  been  usually  calculated  by  applying  the  radiation  transfer 

equation (RTE) to the reaction system [34‐38] or experimentally determined by 

means  of  the measurement  of  the  light  transmission  through  a  photocatalyst 

suspension [39]. 

In this work, we have indirectly calculated the absorbed photon flux by using 

the protocol of Serpone and Salinaro [33] to determine the quantum yield of the 

methanol oxidation reaction (formaldehyde formation) under our experimental 

conditions.  

Methanol photocatalytic oxidation gives place  to  formaldehyde  as primary 

oxidation product according to reactions (3.17) and (3.18): 

  3 2 2CH OH h HO CH OH H H O   (3.17) 

  • •

2 2 2 2 2 22CH OH O O CH OH CH O H O (HO )   (3.18) 

Page 132: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

116 

 

where  either  holes  (h+)  and  free  hydroxyl  radicals  ( •HO )  may  participate, 

forming also superoxide ion radical ( •‐2O  ) or hydroperoxide radical ( •

2HO  , acidic 

pH).  Figure  3.1  shows  the  time‐evolution  of CH2O  formation  under  different 

experimental conditions. It was nearly linear throughout the range of conditions 

used. The rate of CH2O  formation reached a plateau around 2 M methanol, as 

can be seen in Figure 3.2. This concentration was then used for the experiments 

with different TiO2 concentration. At this CH3OH concentration, formaldehyde 

is not expected  to be significantly oxidized since oxidizing species will mainly 

react  with  the  former.  In  fact,  taking  into  account  the  kinetic  constants  of 

methanol  and  formaldehyde with hydroxyl  radicals  (9.7x108  and  1x109 M‐1  s‐1 

[20], respectively) the formaldehyde formation rate with 2 M methanol was 1940 

times higher  than  formaldehyde oxidation  rate  (using  a generic  concentration 

about 10‐3 M similar to CH2O concentrations observed in this work) proving that 

formaldehyde  oxidation  could  be  negligible  in  the  overall  reaction  rate.  The 

calculated  reaction  rates  of  formaldehyde  formation  at  different  TiO2  loading 

defines a plateau from 0.5 g L‐1 as depicted in Figure 3.3(A). This behavior can be 

well described through the following equation:  

  2 2

2

lim TiO CH O

lim TiO 0

a C r

a C I

  (3.19) 

where  photonic  efficiencies  are  calculated  employing  the  relationship                         

=  rCH2O/I0.  The  quantum  yield  of  formaldehyde  formation  (CH2O)  was 

determined from the limiting photonic efficiency (lim) at high TiO2 loadings. At 

these conditions it has been reported that lim =  [33]. Figure 3.3(B) shows fitting 

results of  linearized Eq. (3.19). The quantum yield calculated for formaldehyde 

formation at pH0 = 7  (non‐buffered) was CH2O‐pH7 = 0.48 mol einstein‐1. The pH 

value did not change significantly (pHf = 6.7). The corresponding absorbed light 

intensity at different TiO2  loadings are summarized  in Table 3.1  together with 

the integrated absorption fraction over the wavelength used here, FS = Ia/I0. From 

Page 133: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

117 

 

0.5 g L‐1 TiO2 onward, the P25 catalyst presented an absorption fraction higher 

than 90 %. On the other hand, in experiments carried out at pH = 7 (phosphate 

buffered solution), the reaction rate of formaldehyde formation was lower than 

in the previous case at the same operating conditions (catalyst loading, methanol 

concentration) as can also be observed in Fig. 3.1 and Table 3.1. This can be due 

to phosphate  adsorption onto  the  titania  surface  [40,41],  that  can  compete  for 

adsorption sites with methanol and/or react with oxidizing species formed at the 

catalyst surface (e.g. with hydroxyl radicals, kHO‐PO43‐ = 1x107 M‐1 s‐1; kHO‐HPO42‐ = 

1.5x105 M‐1 s‐1; kHO‐H2PO4‐ = 2x104 M‐1 s‐1; kHO‐H3PO4 = 2.7x106 M‐1 s‐1 [20]), although 

this second point could be disregarded due to the great excess of methanol (2 M 

CH3OH against 30 mM H3PO4). Since phosphates do not absorb the black light 

used,  it  is  expected  that  the  absorbed  light  intensity,  Ia,  do  not  change 

significantly compared to the non‐buffered experiments at pH = 7. 

0 10 20 30 40 50 600.0

2.0x10-4

4.0x10-4

6.0x10-4

8.0x10-4 2 M 0.025 g L-1 7

2 M 0.5 g L-1 7

0.1 M 0.5 g L-1 7

2 M 0.5 g L-1 7 buffered

2 M 0.5 g L-1 3

CC

H2O

(m

ol L

-1)

TIME (min)

CH3OH TiO2 pH

 

Figure  3.1. Time‐evolution  of  formaldehyde  formation during methanol photocatalytic 

oxidation experiments. Conditions: T = 25 °C, Qg = 30 L h‐1 (O2). 

Page 134: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

118 

 

0 1 2 3 40.0

3.0x10-6

6.0x10-6

9.0x10-6

1.2x10-5

1.5x10-5

r CH

2O (

mol

L-1

min

-1)

CCH3OH (mol L-1) 

Figure 3.2. Rate of formaldehyde formation vs. methanol concentration in photocatalytic 

oxidation experiments. Conditions: pH = 7, T = 25 °C, CTiO2 = 2 g L‐1, Qg = 30 L h‐1 (O2 or 

O3/O2). 

Figure  3.3.  (A):  Rate  of  formaldehyde  formation  vs.  TiO2  loading  in  methanol 

photocatalytic  oxidation  experiments.  (B):  Fitting  results  of  linearized  Eq.  (3.19). 

Conditions: pH = 7 and 3, T = 25 °C, Qg = 30 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0

3.0x10-6

6.0x10-6

9.0x10-6

1.2x10-5

pH=7 pH=3

r CH

2O

(m

ol L

-1 m

in-1

)

CTiO2 (g L-1)

0 10 20 30 402

4

6

8

10

1/

(ei

nste

in m

ol-1)

1/CTiO2 (L g-1)

(A)

(B)

Page 135: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

119 

 

Table  3.1. Rate  and photonic  efficiency of CH2O  formation  and  absorbed  and  fraction 

light intensity. 

CTiO2 

(g L‐1) pH0 

r CH2O /rCO2 

(M min‐1) 

ξ 

(mol einstein‐1) 

Ia 

(einstein L‐1 min‐1) Fs 

0.025  7  6.05x10‐6  0.23  1.27x10‐5  0.47 

0.05  7  8.29x10‐6  0.31  1.73x10‐5  0.65 

0.1  7  1.07x10‐5  0.40  2.24x10‐5  0.84 

0.3  7  1.16x10‐5  0.44  2.43x10‐5  0.91 

0.5  7  1.22x10‐5  0.46  2.55x10‐5  0.96 

1  7  1.23x10‐5  0.46  2.57x10‐5  0.97 

2  7  1.34x10‐5  0.50  2.80x10‐5  ~1.0 

3  7  1.17x10‐5  0.44  2.45x10‐5  0.92 

0.5  7a  7.51x10‐6  0.28  2.55x10‐5  0.96 

0.025  3  2.65x10‐6  0.10  7.81x10‐6  0.29 

0.05  3  4.01x10‐6  0.15  1.18x10‐5  0.44 

0.1  3  4.62x10‐6  0.20  1.56x10‐5  0.59 

0.5  3  8.77x10‐6  0.33  2.60x10‐5  0.97 

1  3  8.82x10‐6  0.33  2.61x10‐5  0.98 

0.5  3b  6.76x10‐6  0.26  2.60x10‐5  0.97 

aBuffered solution (H3PO4 30 mM), bExperiment with CH2O2 (10 mM) 

On the other hand, it is known that the size of the TiO2 aggregates in aqueous 

solution depends on  the pH value  and  therefore,  could  affect  the  intensity of 

light  absorbed  by  the  photocatalyst  [2].  Thus,  additional  photocatalytic 

oxidation experiments with 0.025  ‐ 1 g L‐1 TiO2 were carried out at pH0 = 3  to 

calculate both, the quantum yield (CH2O‐pH3) and the absorbed photon flux at this 

pH value. Firstly, the pH value did not significantly change during the reaction 

time.  It was observed  that  the  rate of  formaldehyde  formation at pH0 = 3 was 

quite lower than at pH0 = 7 (non‐buffered) at the same catalyst loading (see Fig. 

3.1). These results have also been plotted in Fig. 3.3(A) whereas Fig. 3.3(B) shows 

fitting results of  linearized Eq.  (3.19)  for experiments at pH0 = 3. The quantum 

Page 136: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

120 

 

yield calculated was  CH2O‐pH3 = 0.34 mol einstein‐1. The absorbed light intensity 

calculated was  somewhat  higher  than  at  pH  =  7  in  experiments  at  the  same 

catalyst  loading  (Table 3.1), according  to  the  lower aggregates size expected at 

lower  pH.  The  lower  reaction  rates  and  quantum  yield  observed  could  be 

attributed to the stabilization of the  2 2O CH OH  radical at acidic pH [42] and/or 

to  the presence of ClO4‐  ions  (HClO4 used  to set pH = 3)  that can be absorbed 

onto  the  catalyst  surface  [43].  Previously,  Du  and  Rabani  [42]  showed  that 

quantum yields of  formaldehyde  formation during photocatalytic oxidation of 

methanol  with  a  TiO2  catalyst  fell  down  from  0.2  to  0.05  mol  einstein‐1  at                 

pH = 7 and pH = 3, respectively, whereas when comparing the quantum yield of 

CO2  formation  during  photocatalytic  oxidation  of  formic  acid  at  pH  =  3,  the 

value was quite similar  to  that  found  for  the methanol system at pH = 7. This 

was explained on the basis of the stabilization of the  2 2O CH OH  radical at acidic 

pH when using methanol. However, our experiments carried out at pH = 3 with 

formic acid 0.01 M (high enough to reach a constant reaction rate independent of 

formic acid concentration [42]) led to the results summarized in Table 3.1, where 

the  photonic  efficiency  calculated  for  CO2  formation was  0.26 mol  einstein‐1, 

quite  similar  (even  lower)  than  the  value  obtained  in  the methanol  system. 

These  results  seem  to  be  pointed  out  that  the  stabilization  of  the  2 2O CH OH

radical  at pH  =  3  is not  the main  responsible of  the decrease observed  in  the 

quantum yield at this pH value under the operating conditions used here and, 

therefore, we have used also methanol at pH = 3 as model compound. 

Finally,  under  the  same  experimental  conditions,  Ia  is  not  expected  to 

significantly  change  in  presence  of  ozone  during  photocatalytic  ozonation 

experiments  since O3 does  not  absorb  black  light  radiation  (=  365  nm). The 

calculated  Ia  values  were  used  to  determine  the  quantum  yields  for 

photocatalytic ozonation processes for comparative purposes. 

 

Page 137: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

121 

 

3.3.2. Photocatalytic oxidation versus photocatalytic ozonation 

To  compare  photocatalytic  oxidation  behavior  versus  photocatalytic 

ozonation,  similar  experiments  were  carried  out  at  the  same  operating 

conditions  of  methanol  concentration,  gas  flow  rate,  radiation  and  pH,  but 

feeding ozone to the system. At 2 M methanol concentration used here, also in 

ozonation and photocatalytic ozonation experiments, formaldehyde ozonation is 

not expected. According to the kinetic constants of methanol and formaldehyde 

with O3  (0.024 and 0.10 M‐1 s‐1  [26], respectively) and  the concentration of both 

compounds,  the  formaldehyde  formation  rate with  2 M methanol was  almost 

500  times  higher  than  the  formaldehyde  ozonation  (using  a  generic 

concentration  about  10‐3 M  similar  to  CH2O  concentrations  observed  in  this 

work) proving  that  formaldehyde ozonation  could be neglected  in  the overall 

reaction rate. 

The comparison of formaldehyde formation during photocatalytic oxidation 

(TiO2/O2/UVA)  and  photocatalytic  ozonation  (TiO2/O3/UVA)  of  methanol  is 

presented in Figure 3.4(A). Also, for comparative purposes single ozonation (O3) 

and photolytic ozonation results (i.e. irradiated O3 without TiO2, O3/UVA) have 

been plotted. These experiments were carried out at pH = 3 to minimize indirect 

ozone  reactions.  This  pH  value  did  not  significantly  change  throughout  the 

reaction  time. As  expected,  ozonation  and photolytic  ozonation gave place  to 

similar  formaldehyde  evolution  since  ozone  does  not  absorb  black  light 

radiation. On  the other hand,  the results observed  for photocatalytic oxidation 

are  also quite  similar  to  the  ozone process. The highest  rate  of  formaldehyde 

formation  was  found  during  photocatalytic  ozonation.  Reaction  rates  were 

calculated through the slope of the CH2O concentration‐time evolution and are 

displayed  in Table  3.2. A  synergistic  effect  between  ozone  and  the  irradiated 

TiO2 can be observed during TiO2/O3/UVA treatment where the reaction rate is 

almost  twice  higher  than  the  sum  of  the  reaction  rates  of  individual  process 

(2.91x10‐5 M min‐1 versus 1.89x10‐5 M min‐1, respectively). 

Page 138: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

122 

 

Figure 3.4. Time‐evolution of formaldehyde (A) and hydrogen peroxide (B) concentration 

during ozonation and photocatalytic oxidation/ozonation experiments. Conditions: pH = 

3, T = 25 °C, CTiO2 = 0.5 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 30 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

The  accumulation  of  important  concentrations  of  hydrogen  peroxide was 

also  observed  during  ozonation  experiments.  Results  are  plotted  in  Figure 

3.4(B).  As  can  be  seen,  during  photocatalytic  oxidation  of  methanol  small 

amounts  of  hydrogen  peroxide  could  be  detected  whereas  during  single 

ozonation  and  photolytic  ozonation,  the  evolution  of  hydrogen  peroxide  is 

comparable  to  the  formaldehyde  formation.  This  is  explained  on  the  basis  of 

ozone‐methanol  direct  reaction which  gives  place  to  hydrogen  peroxide  [44] 

(B)

(A)

0 10 20 30 40 50 600.0

1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

TIME (min)

CH

2O

2 (

mol

L-1

)

Photocatalytic oxidation Ozonation Photolytic ozonation Photocatalytic ozonation

0.0

4.0x10-4

8.0x10-4

1.2x10-3

1.6x10-3

CC

H2O

(mo

l L-1

)

Page 139: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

123 

 

according to: 

  3 3 2 2 2O CH OH CH O H O   (3.20) 

It is noticeable that hydrogen peroxide concentration was much lower in the 

photocatalytic  ozonation  experiment  likely  due  to  the  consumption  of  H2O2 

through reaction (3.6) (H2O2‐eaq‐ reaction: k = 1.1x1010 M‐1 s‐1 [20]). This reaction 

would  also  enhance  the  generation  of  hydroxyl  radicals  improving methanol 

oxidation. 

In  addition,  dissolved  ozone  was  measured  during  all  the  ozonation 

experiments. The concentration was nearly constant at 7.5x10‐6 M and 4.5x10‐6 M 

during  ozonation  and  photocatalytic  ozonation,  respectively.  Also  the  ozone 

concentration  in  the  gas  phase  in  the  reactor  outlet  was  lower  during 

photocatalytic  ozonation  (5.0 mg L‐1)  than during  ozonation  (6.5 mg L‐1). The 

lower  values  found  during  photocatalytic  ozonation  suggests  that O3  is  also 

being  consumed  through  reaction  (3.15)  (O3‐eaq‐  reaction:  k  =  3.6x1010 M‐1  s‐1, 

which  is also higher  than  the one of O2‐eaq‐  reaction: k  = 1.9x1010 M‐1  s‐1  [20]), 

improving methanol oxidation rate due to the generation of additional hydroxyl 

radicals. 

Therefore,  taking  into  account  the  slow  rate  of  direct  methanol‐ozone 

reaction and the negligible contribution of ozone decomposition at the pH value 

used here,  the synergism observed may be related  to  the reaction of dissolved 

ozone  and hydrogen peroxide  as  electron  acceptors  to produce  HO   radicals, 

thus avoiding to some extent the recombination reactions on the TiO2 catalyst. 

 

 

 

Page 140: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)

124

Tabl

e 3.

2. E

xper

imen

tal c

ondi

tions

, rea

ctio

n ra

te c

ontr

ibut

ions

and

qua

ntum

yie

ld o

f the

pho

toca

taly

tic re

actio

ns.

Proc

ess

Irra

diat

ion

CTi

O2

(g L

-1)

CO

3,g

inle

t (m

g L-1

) pH

rC

H2O

(M m

in-1

) rO

3b

(M m

in-1

) rH

O-O

3c

(M m

in-1

) rh

νd

(M m

in-1

) Eh

v

(%)

h ν

(mol

ein

stei

n-1)

Phot

ocat

alyt

ic

oxid

atio

n (T

iO2/O

2/UV

A)

on

0.5

0 3

8.77

x10-6

---

---

8.

77x1

0-6

0 0.

34

on

0.5

0 7

1.22

x10-5

---

---

1.

22x1

0-5

0 0.

48

on

0.5

0 7a

7.51

x10-6

---

---

7.

51x1

0-6

0 0.

29

Ozo

natio

n (O

3)

off

0 10

3

1.02

x10-5

1.

02x1

0-5

0 ---

---

---

off

0 20

3

1.55

x10-5

1.

55x1

0-5

0 ---

---

---

off

0 30

3

1.97

x10-5

1.

97x1

0-5

0 ---

---

---

off

0 30

7a

1.55

x10-4

1.

97x1

0-5

1.35

x10-4

---

---

---

Phot

ocat

alyt

ic

ozon

atio

n (T

iO2/O

3/UV

A)

on

0.5

10

3 2.

91x1

0-5

1.02

x10-5

0

1.89

x10-5

53

0.

73

on

0.5

20

3 3.

63x1

0-5

1.55

x10-5

0

2.08

x10-5

57

0.

80

on

0.5

30

3 3.

91x1

0-5

1.97

x10-5

0

1.94

x10-5

55

0.

75

on

0.5

30

7a 2.

38x1

0-4

1.97

x10-5

1.

35x1

0-4

8.36

x10-5

91

3.

27

a Buf

fere

d so

lutio

n (H

3PO

4 30

mM

), b I

t coi

ncid

es w

ith rC

H2O

for s

ingl

e oz

onat

ion

expe

rim

ents

at p

H =

3, c C

alcu

late

d fr

om o

zona

tion

expe

rim

ents

by

mea

ns o

f the

diff

eren

ce b

etw

een

rCH

2O-r

O3,

d Cal

cula

ted

by m

eans

of t

he d

iffer

ence

bet

wee

n rC

H2O

- rO

3-rH

O-O

3.

Page 141: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

125 

 

3.3.2.1. Influence of ozone concentration 

The influence of ozone concentration in the feeding gas during photocatalytic 

ozonation  of methanol was  studied  at  pH  =  3.  Results  of  formaldehyde  and 

hydrogen peroxide formation with time are depicted in Figure 3.5(A) and Figure 

3.5(B),  respectively. Also,  for  the  sake of  comparison,  single ozonation  results 

varying the ozone gas concentration have been plotted. It can be observed that 

ozone  concentration  exerts  a  positive  effect  on  methanol  oxidation  rate 

(formaldehyde  formation),  compared  to  the  ozone  free  experiments  (see  also 

Fig. 3.4(A)) both in single ozonation and photocatalytic ozonation, although the 

effect  is  less  important when  increasing  the ozone gas  concentration. Reaction 

rates of  formaldehyde  formation have been calculated and are shown  in Table 

3.2.  The  increase  of  formaldehyde  formation  rate  is  proportional  to  the 

increasing  ozone  concentration  in  single  ozonation  experiments whereas  it  is 

more  important  from  10  to  20 mg  L‐1  of  ozone  than  from  20  to  30 mg L‐1  in 

photocatalytic  ozonation.  This  behavior  has  been  observed  before  during  the 

photocatalytic  ozonation  process  [19]  and  has  been  attributed  to  complex 

Langmuir  kinetics  for  substances  that  absorb  and  react  on  the  semiconductor 

surface. 

Regarding  the  evolution  of  H2O2  during  the  experiments  at  different  O3 

concentration  (Fig.  3.5(B)),  it  can  be  observed  that H2O2,  formed mainly  from 

direct  ozonation  of  methanol,  is  further  accumulated  during  ozonation 

treatment while is not in the photocatalytic ozonation process and regardless of 

the ozone concentration. The  latter  is  likely due to the consumption of H2O2  in 

the photocatalytic process through reaction (3.6). Despite this, a positive effect of 

ozone  concentration  is observed on  the  evolution of H2O2  in both  treatments, 

more pronounced during ozonation. 

 

 

Page 142: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

126 

 

 

Figure 3.5. Time‐evolution of formaldehyde (A) and hydrogen peroxide (B) concentration 

during methanol ozonation and photocatalytic ozonation experiments. Conditions: pH = 

3, T = 25 °C, CTiO2 = 0.5 g L‐1, CO3,g inlet = 10, 20, 30 mg L‐1, Qg = 30 L h‐1 (O3/O2). 

 

3.3.2.2. Influence of pH 

Previous  experiments  have  been  carried  out  at pH  =  3  to minimize  ozone 

decomposition  reaction and,  thus, avoiding  indirect methanol‐ozone oxidation 

reaction. However, pH plays a crucial role during ozonation processes. Results 

of photocatalytic oxidation, ozonation and photocatalytic ozonation of CH3OH 

at pH = 3 and pH = 7 (buffered solution) are compared in Figure 3.6. Regarding 

0 10 20 30 40 50 600.0

2.0x10-4

4.0x10-4

6.0x10-4

8.0x10-4

1.0x10-3

1.2x10-3

TIME (min)

CH

2O2

(mo

l L-1

)

0.0

4.0x10-4

8.0x10-4

1.2x10-3

1.6x10-3

2.0x10-3

s-1

s-1

s-1

10 mgL-1

20 mgL-1

30 mgL-1

CC

H2O

(m

ol L

-1)

Ozonation Photocatalytic ozonation

(A)

(B)

Page 143: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

127 

 

CH2O  formation,  slight  differences  were  observed  in  Fig.  3.6(A)  for 

photocatalytic  oxidation  reaction  at pH  =  3  and pH  =  7  as  commented  in  the 

previous  section. Nevertheless, when ozone  is present,  a  large  increase  in  the 

rate of CH2O formation  is observed at pH = 7 respect to pH = 3. During single 

ozonation  experiments  the  formaldehyde  formation  rate  increased  around  8 

times (from 1.97x10‐5 to 1.55x10‐4 M min‐1, see Table 3.2). Direct ozone‐methanol 

reaction is not affected by pH modifications since CH3OH does not dissociate at 

the  studied pH  range  [26]; as a consequence,  this behavior  is  related  to ozone 

decomposition  reactions  (3.9)  ‐  (3.14)  that  are  produced  at  neutral  pH  to 

generate  HO   radicals  in  the  reaction medium.  In  this  line,  lower  dissolved 

ozone  concentration  has  been  detected  at  pH  =  7  (8x10‐7 M  and  1x10‐6 M  in 

ozonation  and  photocatalytic  ozonation,  respectively)  compared  to  pH  =  3 

(8.2x10‐6  M  and  6.1x10‐6  M  in  ozonation  and  photocatalytic  ozonation, 

respectively). Also, ozone concentration in the gas phase at the reactor outlet has 

been observed to decrease with pH increase from 3 to 7 (from 15 at pH 3 to 10 

mg  L‐1  at  pH  7  in  ozonation,  and  from  11  at  pH  3  to  6 mg  L‐1  at  pH  7  in 

photocatalytic  ozonation  runs).  This  corroborates  a  higher  consumption  of 

ozone at neutral pH likely due to its faster decomposition. 

In addition, hydrogen peroxide formed upon direct ozone‐methanol reaction 

can be dissociated (reaction (3.21), pKa = 11.3), promoting reaction (3.10) to some 

extent: 

 pKa 11.3

2 2 2H O HO H   (3.21) 

In  fact,  hydrogen  peroxide  concentrations  detected  at  pH  =  7 were  fairly 

lower than at pH = 3 (see Fig. 3.6(B)), indicating that H2O2 is consumed during 

the  single  ozonation  process.  Another  fact  that  can  affect  the  ozonation 

mechanism due to the pH value is that the hydroperoxide radical formed upon 

methanol ‐  HO oxidation ( •

2HO ) will be on its dissociated form ( •‐2O  ) at neutral 

pH  (reaction  (3.11),  pKa  =  4.8),  then  it  also  participates  in  the  reaction 

mechanism of ozone decomposition. 

Page 144: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

128 

 

0 10 20 30 40 50 600.0

2.0x10-4

4.0x10-4

6.0x10-4

8.0x10-4

1.0x10-3

1.2x10-3

TIME (min)

CH

2O2

(mo

l L-1

)

0.0

3.0x10-3

6.0x10-3

9.0x10-3

1.2x10-2

1.5x10-2

Photocatalytic oxidation Ozonation Photocatalytic ozonation

CC

H2O

(m

ol L

-1)

pH=7 pH=3

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 3.6. Time‐evolution of formaldehyde (A) and hydrogen peroxide (B) concentration 

during  methanol  ozonation  and  photocatalytic  oxidation/ozonation  experiments. 

Conditions: pH = 3, 7, T = 25 °C, CTiO2 = 0.5 g L‐1, CO3,g inlet = 30 mg L‐1, Qg = 30 L h‐1 (O2 or 

O3/O2). 

The  increase of formaldehyde formation rate observed was more significant 

in  photocatalytic  ozonation  due  to  the  formation  of  higher  concentration  of 

oxidizing species at  the photocatalyst surface according  to  the reaction scheme 

described  above.  At  pH  =  7  and  30  mg  L‐1  of  ozone  inlet  concentration,  a 

synergistic effect is clearly observed in the reaction rate (see Table 3.2), being the 

sum of ozone and photocatalytic oxidation rates 1.62x10‐4 M min‐1  fairly  lower 

than  that  of  photocatalytic  ozonation  (2.38x10‐4  M  min‐1).  Therefore,  an 

(A)

(B)

Page 145: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

129 

 

increment  in  the  pH  value  exerts  a  positive  effect  on  the  photocatalytic 

ozonation  reaction  due  to  the  formation  of  species  that  favor  the  ozone 

decomposition in water. 

3.3.2.3. Synergistic effect and quantum yield of photocatalytic induced reactions 

From the previous experimental results, different contributions to the rate of 

formaldehyde  formation  have  been  calculated.  On  one  hand,  when  single 

ozonation experiments are carried out at pH = 3, the contribution of O3 indirect 

reactions  (rHO‐O3)  can be neglected and  therefore,  the observed  reaction  rate at 

this pH would only be due to the direct ozone‐methanol reaction (rO3). This was 

extrapolated  to photocatalytic  ozonation  considering  the  same  contribution of 

ozone‐methanol  direct  reaction  than  in  the  absence  of  light. Additionally,  for 

photocatalytic  treatments,  another  contribution needs  to be  considered due  to 

the photogenerated oxidizing species (i.e. h+ and HO  from reactions (3.1) ‐ (3.6), 

and  (3.15))  apart  from  the  direct  or  indirect  ozonation  mechanism.  This 

contribution,  named  rhv,  is  the  observed  rate  of  CH2O  formation  in 

photocatalytic  oxidation,  and  was  calculated  as  the  difference  between  the 

observed  reaction  rate  rCH2O  and  the  direct‐indirect  ozone  reactions  in 

photocatalytic ozonation. On the other hand, when reactions were carried out at 

pH = 7,  the contribution of  indirect ozone reactions become very  important.  In 

this  case,  this  contribution  was  calculated  by  subtracting  the  ozone‐direct 

reaction  rate  (calculated  at  pH  =  3  at  the  same  operating  conditions)  to  the 

observed  reaction  rate  of  formaldehyde  formation  during  single  ozonation 

experiments. Also, these results were extrapolated to photocatalytic ozonation at 

pH = 7. The different contributions  to  the global reaction rate of formaldehyde 

formation  during  methanol  oxidation  have  been  summarized  in  Table  3.2. 

Regarding  the  photocatalytic  contribution,  it  is  noticeable  the  increase 

underwent in the light induced reaction rate when ozone was present compared 

to  the  one  of  photocatalytic  oxidation  at  the  same  operating  conditions.  The 

degree  of  enhancement  produced  as  a  consequence  of  O3 was  calculated  as 

follows: 

Page 146: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

130 

 

 

h 2 3 h 2 2

h 2 2

r TiO / O / UVA r TiO / O / UVAE ∙100 %

r TiO / O / UVA

  (3.22) 

Table  3.2  shows  the  values  obtained  for  all  the  photocatalytic  ozonation 

experiments.  The  enhancement  observed  in  the  photocatalytic  contribution 

increased from 53 % to 57 % when increasing ozone concentration in the feeding 

effluent at pH = 3, although slight differences were observed when using 20 or 

30 mg L‐1 O3 as commented  in  the previous section. The highest enhancement 

was  observed  at  pH  =  7  with  30  mg  L‐1  of  ozone.  This  parameter  can  be 

considered  as  a  real  evidence  of  the  synergism produced  between  ozone  and 

irradiated TiO2. 

At  the  experimental  conditions used  (high  excess  of CH3OH),  the  reaction 

rate calculated for the photocatalytic contribution (rhv) can be well considered as 

the reaction rate of oxidizing species  formation due  to  light  induced reactions. 

Therefore,  the  quantum  yield  of  these  reactions  (light  induced  ones)  can  be 

calculated  taking  into  account  the  absorbed  light  intensity  at  the  operating 

conditions  used  (see  Table  3.1).  The  calculated  quantum  yields  (hv)  for 

photocatalytic oxidation and photocatalytic ozonation processes are presented in 

Table  3.2.  The  quantum  yield  of  photogenerated  species  formation  in 

photocatalytic ozonation at pH = 3 was  found  to be  increased  twice  and near 

triple  times  the  value  observed  for  photocatalytic  oxidation  as  ozone 

concentration  increased.  Quantum  yield  reached  a  plateau  at  high  ozone 

concentrations, as can also be observed in Figure 3.7 where the evolution of the 

quantum yield with ozone concentration has been depicted. This trend suggests 

that a limiting reaction rate has been reached in the system due to the reaction of 

hydroxyl radicals with O3. Sun and Bolton [21] also observed this behavior while 

studying  the  photocatalytic  oxidation  of  methanol  with  the  addition  of 

hydrogen  peroxide  as  an  electron  acceptor.  On  the  other  hand,  the  highest 

improvement  of  the  quantum  yield  has  been  observed  in  the  experiment  of 

photocatalytic  ozonation  at  pH  =  7  reaching  a  value  near  3  photogenerated 

oxidizing species per absorbed photon. 

Page 147: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

131 

 

0 5 10 15 20 25 300.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

hv

(m

ol e

inst

ein

-1)

CO3,g inlet (mg L-1) 

Figure  3.7.  Evolution  of  quantum  yield  of  oxidizing  species  formation  through  light 

induced reactions with ozone  inlet concentration. Conditions: pH = 3, T = 25 °C, CTiO2 = 

0.5 g L‐1, Qg = 30 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

The maximum quantum yield of  formaldehyde  formation  expected during 

photocatalytic oxidation is CH2O,max = hv,max = 1.5 mol einstein‐1, according to the 

reaction  mechanism  proposed  where  2  photons  are  needed  to  produce  3 

oxidizing  species  (i.e. holes and/or hydroxyl  radicals)  taking  into account also 

the  radical  •‐2O / •

2HO   formed  from  CH3OH  oxidation  [6].  This  maximum 

becomes even greater (hv;max‐O3 = 2 ‐ 3) when ozone is present depending on pH, 

due to reactions (3.13) ‐ (3.15) where ozone needs 1 e‐ per  HO  formed, and the 

generation of H2O2 from direct methanol ozonation (reaction (3.20)), that acts as 

an  electron  acceptor  (reaction  (3.6))  needs  also  1  e‐  per  HO   formed.  The 

maximum quantum yield at basic‐neutral pH when O3  is present has not been 

accurately  calculated  since  ozone‐indirect  reactions  are  closely  related  to  the 

reactions involving photogenerated species. Thus, the calculated values seem to 

be  reasonable  although  they  should  be  taken  with  caution,  especially  that 

calculated at pH = 7 where  the contribution of  the  indirect‐ozone  reaction has 

been  taken as  the  same  than  in  single ozonation and may be underestimated. 

Page 148: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

132 

 

Further  work  will  be  carried  out  to  quantitatively  calculate  the  different 

contributions  through  a  detailed  reaction  mechanism  for  the  AOPs  studied 

(photocatalytic oxidation, ozonation and photocatalytic ozonation). Despite this 

it  is  clear  that  ozone  exerts  a  positive  effect  on  the  photocatalytic  induced 

reactions (not only O3 direct and indirect reactions) due to two main factors: (i) 

ozone acts as an electron acceptor, and  (ii) hydrogen peroxide usually  formed 

during direct ozonation reactions also acts as an electron acceptor, both leading 

to higher amount of hydroxyl radicals per photon absorbed and also reducing 

the recombination process to some extent. 

3.3.2.4. Simplified economic considerations 

In  addition  to  the  benefits  observed  with  the  combined  treatment,  i.e. 

photocatalytic  ozonation  (TiO2/O3/UVA),  in  the  reaction  rate  of  formaldehyde 

formation,  the  synergistic  effect  between  ozone  and  irradiated  TiO2  and  the 

highest  quantum  yield  of  photo‐generated  oxidizing  species  production,  one 

important issue in the application of combined treatments is the economy of the 

process. Accordingly, to compare the different systems, costs associated with the 

normal operation have been evaluated by  taking  into account  the oxygen and 

electrical  energy  consumed  to  generate  the  oxidants  and/or  radiation  and  the 

amount of  formaldehyde  formed.  It has  to be highlighted  that  this  simplified 

economic study aims only the comparison of the systems (i.e. investments, loss 

of  TiO2  activity  and  separation,  and  other  factors  are  not  considered)  not 

providing an actual costs estimation. 

According to Rivas et al. [45] for the same ozone generator, the dependence 

between O3 production and current consumption can be estimated as: 

  ‐13O % of max. flow rate in gL 186 ∙current consumption in A   (3.23) 

with maximum mass  flow  rate  from  oxygen  12  g  h‐1.  From  the  experimental 

conditions for 10 and 30 mg L‐1 O3 at 30 L h‐1 those are 2.5 % and 7.5 % of the 

maximum  amount  produced,  respectively.  In  photocatalytic  experiments  it  is 

Page 149: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

133 

 

also necessary to take into account the lamps energy consumption (2 lamps with 

an  input  power  of  15  W).  The  cost  associated  with  electricity  has  been 

considered 0.14 € (kWh)‐1 according to the local supplier. In addition, in all the 

experiments oxygen from cylinders was used which has a cost of 0.262 € h‐1 [45] 

at a flow rate of 30 L h‐1. 

With  the above data, Table 3.3 shows  the results obtained  to produce 0.001 

mol  of  formaldehyde  from methanol  oxidation  taking  into  account  the  time 

needed.  It can be observed  that  the main contribution  (of  those considered)  is 

the oxygen consumption. It has to be pointed out that this contribution would be 

far different  if air  from atmosphere was used both  in photocatalytic oxidation 

and ozonation  runs  (in  the  latter  two using an air compressor) since  there are 

ozone generators able to work with air. The operation costs (as calculated here) 

are always higher  in photocatalytic experiments or ozonation alone than in the 

combined process, especially when working at pH = 7, where the reaction time is 

highly  reduced.  Therefore,  photocatalytic  ozonation  treatment  is  not  only 

attractive from the point of view of their performance in terms of reaction rates 

but  also  in  terms  of  economic  considerations, where  the  synergism  between 

ozone and TiO2 photocatalysis  is also clear. However,  it has  to be emphasized 

that  this  simplified  economic  study  could  give  different  results  in  every 

particular  case  taking  into  account  the  necessities  of  effluent mineralization, 

discharge  limits  required,  investment  and  replacement  costs,  etc.  as  reported 

before  [45]  where  ozone  treatments  involved  higher  costs  at  the  same 

mineralization degree obtained. 

 

 

 

 

Page 150: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)

134

Tabl

e 3.

3. E

stim

ated

cos

ts fo

r the

tran

sfor

mat

ion

of 1

0-3 m

ol C

H3O

H (C

H2O

form

ed).

Proc

ess

pH

CO

3g in

let

(mg

L-1)

Tim

e us

ed

(h)

EO3

(kW

h)

E UV

A

(kW

h)

Elec

tric

ity

(€)

O2

(€)

Cos

t/mm

ol

conv

erte

d (€

mm

ol-1

) Ph

otoc

atal

ytic

ox

idat

ion

(TiO

2/O2 /U

VA

)

3 0

1.90

0

5.70

x10-2

7.

98x1

0-3

4.97

x10-1

5.

05x1

0-1

7 0

2.22

0

6.66

x10-2

9.

32x1

0-3

5.81

x10-1

5.

90x1

0-1

Ozo

natio

n (O

3 )

3 10

1.

63

4.83

x10-3

0

6.76

x10-4

4.

27x1

0-1

4.28

x10-1

7 30

0.

11

9.54

x10-4

0

1.34

x10-4

2.

80x1

0-2

2.80

x10-2

Phot

ocat

alyt

ic

ozon

atio

n (T

iO2/O

3 /UV

A)

3 10

0.

57

1.69

x10-3

1.

72x1

0-2

2.64

x10-3

1.

50x1

0-1

1.52

x10-1

7 30

0.

07

6.21

x10-4

2.

10x1

0-3

3.81

x10-4

1.

80x1

0-2

1.90

x10-2

Page 151: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

135 

 

3.4. CONCLUSIONS 

Major conclusions reached in this study are: 

Absorbed  light  intensity  during  photocatalytic  oxidation  of methanol was 

indirectly calculated at different pH values and was always higher than 90 % 

of that  impinging the reactor for the catalyst  loading used (0.5 g L‐1 of TiO2 

P25). 

The presence  of  ozone during photocatalytic  ozonation  at pH  =  3  exerts  a 

positive  effect  on  the  reaction  rate  of  formaldehyde  formation  respect  to 

photocatalytic oxidation. This was not only due to the direct ozone‐methanol 

reaction,  but  also  due  to  the  reaction  of  dissolved  ozone  and  hydrogen 

peroxide  (formed  upon  CH3OH  ozonation),  electron  acceptors  to  produce 

higher concentration of hydroxyl radicals. 

An  increase  in ozone  concentration  exerts  a positive but  low  effect during 

photocatalytic  ozonation  likely  due  to  self‐scavenging  reactions  between 

HO  and ozone or hydrogen peroxide. 

The quantum yield calculated  for photo‐generated oxidizing species during 

photocatalytic  oxidation  at  pH  =  3  was  hv  =  0.34  mol  einstein‐1.  This 

parameter was increased to around hv = 0.80 mol einstein‐1 when combining 

TiO2/O3/UVA. This enhancement was even higher at pH = 7 from hv = 0.29 to 

hv  =  3.27 mol  einstein‐1.  Therefore,  a  clear  synergism  between  ozone  and 

black  light  photocatalytic  oxidation  with  TiO2  is  pointed  out  due  to  the 

decrease of  the recombination process. The reaction of dissolved ozone and 

hydrogen peroxide with photo‐generated electrons is likely the reason of the 

reaction rate enhancement. 

Simplified  economic  evaluation  taking  into  account  only normal  operation 

has shown  that photocatalytic ozonation could be a cost‐effective  treatment 

depending on the actual necessities of the effluent to be treated. 

 

Page 152: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

136 

 

AKNOWLEDGEMENTS 

This  work  has  been  supported  by  the  Spanish  Ministerio  de  Ciencia  e 

Innovación (MICINN) and European Feder Funds through the Project CTQ2009‐

13459‐C05‐05/PPQ. A.  Rey  thanks  the University  of  Extremadura  for  a  post‐

doctoral research contract. 

REFERENCES 

[1] Kabra, K.; Chaudhary, R.; Sawhney, R.L. “Treatment of hazardous organic 

and  inorganic  compounds  through  aqueous‐phase  photocatalysis: A  review”. 

Ind. Eng. Chem. Res. 43 (2004) 7683‐7696. 

[2] Malato,  S.;  Fernández‐Ibáñez,  P.; Maldonado, M.I.;  Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59. 

[3]  Chong, M.N.;  Jin,  B.;  Chow,  C.W.K.;  Saint,  C.  “Recent  developments  in 

photocatalytic  water  treatment  technology:  A  review”. Water  Res.  44  (2010) 

2997‐3027. 

[4]  Adán,  C.;  Bahamonde,  A.;  Fernández‐García,  M.;  Martínez‐Arias,  A.  

“Structure  and  activity  of  nanosized  iron‐doped  anatase  TiO2  catalysts  for 

phenol photocatalytic degradation”. Appl. Catal. B Environ. 72 (2007) 11‐17. 

[5] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K.  “A  review  of  synergistic  effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[6]  Augugliaro,  V.;  Litter,  M.;  Palmisano,  L.;  Soria,  J.  “The  combination  of 

heterogeneous photocatalysis with chemical and physical operations: a tool for 

improving  the  photoprocess  performance”.  J.  Photochem.  Photobiol.  C 

Photochem. Rev. 7 (2006) 127‐144. 

[7] Salvador, P. “On  the nature of photogenerated  radical species active  in  the 

oxidative degradation of dissolved pollutants with TiO2 aqueous suspensions: a 

revision  in  the  light  of  the  electronic  structure  of  adsorbed  water”.  J.  Phys. 

Chem. C 111 (2007) 17038‐17043. 

[8] Henderson, M.A. “A surface perspective on TiO2 photocatalysis”. Surface Sci. 

Rep. 66 (2011) 185‐297. 

 

 

Page 153: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

137 

 

[9] Goldstein, S.; Behar, D.; Rabani, J. “Mechanism of visible light photocatalytic 

oxidation of methanol in aerated aqueous suspensions of carbon‐doped TiO2”. J. 

Phys. Chem. C. 112 (2008) 15134‐15139. 

[10] Goldstein, S.; Behar, D.; Rabani, J. “Nature of the oxidizing species formed 

upon  UV  photolysis  of  C‐TiO2  aqueous  suspensions”.  J.  Phys.  Chem.  C 

113 (2009) 12489‐12494. 

[11] Beltrán, F.J. “Ozone Reaction Kinetics for Water and Wastewater Systems”. 

CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 2004. 

[12] Mvula, M.; von Sonntag, C. “Ozonolysis of phenols  in aqueous solution”. 

Org. Biomol. Chem. 1 (2003) 1749‐1756. 

[13] Leitzke, A.; von Sonntag, C. “Ozonolysis of unsaturated acids  in aqueous 

solution:  acrylic, methacrylic, maleic,  fumaric  and muconic  acids”. Ozone  Sci. 

Eng. 31 (2009) 301‐308. 

[14]  Rakowski,  S.;  Cherneva, D.  “Kinetics  and mechanism  of  the  reaction  of 

ozone with aliphatic alcohols”. Int. J. Chem. Kinetics 22 (1990) 321‐329. 

[15]  Rajeswari,  R.;  Kanmani,  S.  “Degradation  of  pesticide  by  photocatalytic 

ozonation  process  and  study  of  synergistic  effect  by  comparison  with 

photocatalysis  and UV/ozonation processes”.  J. Adv. Oxid. Technol.  12  (2009) 

208‐214. 

[16]  García‐Araya,  J.F.;  Beltrán,  F.J.;  Aguinaco,  A.  “Diclofenac  removal  from 

water  by  ozone  and  photolytic  TiO2  catalysed  processes”.  J.  Chem.  Technol. 

Biotechnol. 85 (2010) 798‐804. 

[17] Zou, L.D.; Zhu, B. “The synergistic effect of ozonation and photocatalysis on 

color removal from reused water”. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 196 (2008) 

24‐32. 

[18] Beltrán, F.J.; Rivas, F.J.; Gimeno, O.; Carbajo, M. “Photocatalytic enhanced 

oxidation  of  fluorene  in water with  ozone.  Comparison with  other  chemical 

oxidation methods”. Ind. Eng. Chem. Res. 44 (2005) 3419‐3425. 

[19] Beltrán, F.J.; Aguinaco, A.; García‐Araya,  J.F. “Mechanism and kinetics of 

sulfamethoxazole photocatalytic ozonation in water”. Water Res. 43 (2009) 1359‐

1369. 

[20] Buxton, G.V.; Greenstock, C.L.; Helman, W.P.; Ross, A.B. “Critical review of 

rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl 

radicals (∙OH/O‐)  in aqueous solution”. J. Phys. Chem. Ref. Data 17 (1988) 513‐

886. 

Page 154: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

138 

 

[21]  Sun,  L.;  Bolton,  J.R.  “Determination  of  the  quantum  yield  for  the 

photochemical  generation  of  hydroxyl  radicals  in  TiO2  suspensions”.  J.  Phys. 

Chem. 100 (1996) 4127‐4134. 

[22]  Tachikawa,  T.;  Tojo,  S.;  Kawai,  K.;  Endo,  M.;  Fujitsuka,  M.;  Ohno,  T.; 

Nishijima, K.; Miyamoto, Z.; Majima, T. “Photocatalytic oxidation  reactivity of 

holes  in  the  sulfur  and  carbon‐doped TiO2 powders  studied by  time‐resolved 

diffuse reflectance spectroscopy”. J. Phys. Chem B 108 (2004) 19299‐19306. 

[23]  Wang,  C.;  Rabani,  J.;  Bahnemann,  D.W.;  Dohrmann,  J.K.  “Photonic 

efficiency and quantum yield of formaldehyde formation from methanol in the 

presence of various TiO2 photocatalysts”. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 148 

(2002) 169‐176. 

[24] Gao, R.; Stark, J.; Bahnemann, D.W.; Rabani, J. “Quantum yields of hydroxyl 

radicals  in  illuminated TiO2 nanocrystallite  layers”.  J. Photochem. Photobiol. A 

Chem. 148 (2002) 387‐391. 

[25] Marugán, J.; Hufschmidt, D.; López‐Muñoz, M.J.; Selzer, V.; Bahnemann, D. 

“Photonic  efficiency  for  methanol  photooxidation  and  hydroxyl  radical 

generation on silica‐supported TiO2 photocatalysts”. Appl. Catal. B Environ. 62 

(2006) 201‐207. 

[26] Hoigné, J.; Bader, H. “Rate constant of reactions of ozone with organic and 

inorganic compounds in water I. Non‐dissociating organic compounds”. Water 

Res. 17 (1983) 173‐183. 

[27] Nash,  T.  “The  colorimetric  estimation  of  formaldehyde  by means  of  the 

Hantzsch reaction”.  Biochemistry 55 (1953) 416‐421. 

[28]  Flyunt,  R.;  Leitzke,  A.;  Mark,  G.;  Mvula,  E.;  Reisz,  E.;  Schick,  R.;  von 

Sonntag,  C.  “Determination  of  ∙OH, O2‐,  and  hydroperoxide  yields  in  ozone 

reactions in aqueous solution”. J. Phys. Chem. B 107 (2003) 7242‐7253. 

[29] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination 

of residual hydrogen peroxide”. Water Manag. Water Sewage Works (1977) 69‐

72. 

[30]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456. 

[31]  Hatchard,  C.G.;  Parker,  C.A.  “A  new  sensitive  chemical  actinometer.  2. 

Potassium  ferrioxalate  as  a  standard  chemical  actinometer”.  Proc.  Roy.  Soc. 

Lond. Ser. Math. Phys. Sci. 235 (1956) 518‐536. 

 

Page 155: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 1: On ozone‐photocatalysis synergism in black‐light induced reactions: 

        Oxidizing species production in photocatalytic ozonation versus heterogeneous photocatalysis 

139 

 

[32] Sandell, E.B. “Colorimetric Determination of Traces of Metals”. Interscience 

Pubs., New York, 1959. 

[33] Serpone, N.; Salinaro, A.  “Terminology,  relative photonic  efficiencies  and 

quantum  yields  in  heterogeneous  photocatalysis.  Part  I:  suggested  protocol”. 

Pure Appl. Chem. 71 (1999) 303‐320. 

[34]  Alfano,  O.M.;  Cabrera,  M.I.;  Cassano,  A.E.  “Photocatalytic  reactions 

involving hydroxyl  radical attack‐I. Reaction kinetics  formulation with explicit 

photon absorption effects”. J. Catal. 172 (1997) 370‐379. 

[35]  Cabrera, M.I.;  Negro,  A.C.;  Alfano,  O.M.;  Cassano,  A.E.  “Photocatalytic 

reactions  involving hydroxyl radical attack‐II. Kinetics of  the decomposition of 

trichloroethylene using titanium dioxide”. J. Catal. 172 (1997) 380‐390. 

[36] Brandi, R.J.; Alfano, O.M.; Cassano, A.E. “Rigorous model and experimental 

verification  of  the  radiation  field  in  a  flat‐plate  solar  collector  simulator 

employed for photocatalytic reactions”. Chem. Eng. Sci. 54 (1999) 2817‐2827. 

[37] Brucato, A.; Cassano, A.E.; Grisafi, F.; Montante, G.; Rizzuti, L.; Vella, G. 

“Estimating  radiant  fields  in  flat  heterogeneous  photoreactors  by  the  six‐flux 

model”. AIChE J. 52 (2006) 3882‐3890. 

[38]  Toepfer,  B.;  Gora,  A.;  Li  Puma,  G.  “Photocatalytic  oxidation  of 

multicomponent solutions of herbicides: Reaction kinetics analysis with explicit 

photon absorption effects”. Appl. Catal. B Environ. 68 (2006) 171‐180. 

[39]  Loddo,  V.;  Addamo, M.;  Augugliaro,  V.;  Palmisano,  L.;  Schiavello, M.; 

Garrone,  E.  “Optical  properties  and  quantum  yield  determination  in 

photocatalytic suspensions”. AIChE J. 52 (2006) 2565‐2574. 

[40]  Chen,  H.Y.;  Zahraa,  O.;  Bouchy,  M.  “Inhibition  of  the  adsorption  and 

photocatalytic degradation of an organic contaminant in an aqueous suspension 

of TiO2 by inorganic ions”. J. Photochem. Photobiol. A 108 (1997) 37‐44. 

[41]  Connor,  P.A.;  McQuillan,  A.J.  “Phosphate  adsorption  onto  TiO2  from 

aqueous  solutions:  an  in  situ  internal  reflection  infrared  spectroscopic  study”. 

Langmuir 15 (1999) 2916‐2921. 

[42] Du, Y.; Rabani,  J.  “The measure of TiO2 photocatalytic  efficiency  and  the 

comparison  of  different  photocatalytic  titania”.  J.  Phys.  Chem.  B  107  (2003) 

11970‐11978. 

[43]  Lefevre,  G.  “In  situ  Fourier‐transform  infrared  spectroscopy  studies  of 

inorganic ions adsorption on metal oxides and hydroxides”. Adv. Colloid Interf. 

Sci. 107 (2004) 109‐123. 

Page 156: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 3 (CHAPTER 3)   

140 

 

[44]  Rakovski,  S.;  Cherneva,  D.  “Kinetics  and mechanism  of  the  reaction  of 

ozone with aliphatic alcohols”. Int. J. Chem. Kinetics 22 (1990) 321‐329. 

[45] Rivas, F.J.; Encinas, A.; Acedo, B.; Beltrán, F.J. “Mineralization of bisphenol 

A  by  advanced  oxidation  processes”.  J. Chem.  Technol.  Biotechnol.  84  (2009) 

589‐594. 

Page 157: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4) PAPER 2: Influence of structural properties on the activity of WO3 catalysts for visible light photocatalytic ozonation

A. Rey, E. Mena, A.M. Chávez, F.J. Beltrán, S. Malato

Chemical Engineering Science 126 (2015) 80-90

ABSTRACT. This work is focused on the use of WO3 catalysts with different structural

properties for photocatalytic ozonation using visible light as radiation source. Different

WO3 catalysts were prepared by thermodecomposition of tungstite precursor

(H2O·WO3) at 300 and 450 °C and different time of calcination. Photocatalysts were

characterized by means of TGA-DTA, XRD, N2 adsorption-desorption isotherms, pH of

the point of zero charge (pHPZC), XPS and DR-UV-Vis spectroscopy. Photocatalytic

ozonation of ibuprofen under visible light radiation with the catalyst prepared at 450 °C and 5 min of heat-treatment gave place to complete removal of ibuprofen in less than 20 min with TOC removal up to 87 % at 120 min. In addition, this catalyst gave place to a complete removal of a mixture of ten emerging contaminants in a municipal wastewater in less than 60 min with a mineralization up to 40 % at 120 min. The highest catalytic activity of this material in the reaction under study is due to the formation of monoclinic

structure of WO3 together with the presence of higher concentration of oxygen vacancies.

Keywords: Photocatalytic ozonation, tungsten trioxide, crystalline structure, ozone, visible light.

Page 158: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 159: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

143 

 

4.1. INTRODUCTION 

The development of efficient water treatment technologies to remove organic 

pollutants  such  as  solvents,  dyes,  pesticides,  phenolic  compounds  or 

pharmaceuticals  and  personal  care  products,  among  others,  is  an  important 

issue  worldwide.  In  general,  these  pollutants  are  persistent,  toxic  and/or 

recalcitrant  to  conventional  wastewater  treatments  and  have  shown  to  be  a 

potential risk to human health and to the environment. Therefore, they must be 

removed in order to prevent their discharge and, of course, to fulfill the required 

limits of an increasingly stringent legislation.  

Among  the  alternative  technologies,  the  combination  of  ozone  and 

heterogeneous  photocatalysis  with  a  semiconductor,  i.e.  photocatalytic 

ozonation, has demonstrated to efficiently remove organic compounds that are 

degraded  little  or  slowly  by  photocatalysis  or  ozonation  alone.  The 

improvement  of  the  combined  process  is mainly  related  to  the  formation  of 

higher concentration of oxidizing species such as hydroxyl radicals compared to 

the  single  treatments  [1,2]. Usually,  this  treatment has  been  applied  by using 

TiO2 as photocatalyst and UV irradiation. However, from an environmental and 

economic  point  of  view,  the  use  of  solar  light  is  a  need  for  the  practical 

deployment  of  photocatalytic  technologies.  In  this  sense,  TiO2  presents  some 

limitations since it only uses around 5 % of solar radiation (UV range) in spite of 

being the archetypical photocatalyst due to its relatively high efficiency, low cost 

and availability [3]. 

Different  research efforts have been carried out  to overcome  this  limitation 

mainly  focusing on  the development of doped or modified TiO2 or  the use of 

different  semiconductors such as CdS, WO3, SnO2 or ZnO  [3,4]. Among  them, 

bare  tungsten  trioxide  WO3  has  been  considered  unsuitable  for  efficient 

photocatalytic  oxidation  due  to  its  conduction  band  level  respect  to  the 

reduction band level of O2, whereas it has demonstrated an efficient behavior in 

the presence of O3 [5]. WO3 is a wide‐band‐gap semiconductor (2.6 ‐ 3.0 eV) that 

Page 160: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

144 

 

can  be  excited  with  radiation  corresponding  to  the  visible  region  of  the 

electromagnetic spectrum [6,7]. This fact together with its relatively low cost, no 

toxicity  and  availability  make  WO3  an  attractive  alternative  to  TiO2  for 

photocatalytic ozonation processes under visible or solar light radiation. 

The use of WO3  in  the photocatalytic ozonation process has been  limited  to 

commercial monoclinic WO3  and phenol  as  target  compound  [5,8]. Thus,  this 

work  focuses  on  the  study  of  WO3  photocatalysts  with  different  structural 

properties for the photocatalytic ozonation of a model compound using visible 

light radiation. Ibuprofen (IBP), a nonsteroidal anti‐inflammatory drug, has been 

selected  as  target  contaminant  which  is  included  in  the  family  of  emerging 

contaminants  (ECs)  frequently  detected  in  wastewater  and  different  aquatic 

environments  [9,10].  In  addition, a more  realistic  application of photocatalytic 

ozonation with WO3 catalysts has been  studied  in a mixture of 10 ECs  spiked 

municipal  wastewater  treatment  plant  (MWWTP)  effluent  using  the  entire 

simulated solar radiation spectrum. 

4.2. EXPERIMENTAL SECTION 

4.2.1. Catalysts preparation 

Photocatalysts  were  prepared  by  thermodecomposition  of  commercial 

H2WO4  (99  %,  Sigma‐Aldrich)  yellow  powder  precursor.  The  sample  was 

calcined in air atmosphere in a muffle furnace at different temperatures (300 and 

450  °C)  for  1  to  30 min  in  order  to  obtain  different H2WO4/WO3  crystalline 

structures  according  to  the  method  reported  by  Cao  et  al.  [11].  The 

thermodecomposition  reaction  proceeds  through  water  loss  of  the  tungstite 

structure  of H2WO4  (H2O∙WO3)  and  subsequent  crystallization  as  cubic WO3. 

Then, at higher temperature cubic WO3 can be transformed into the monoclinic 

WO3  crystalline phase  [12]. This process  is  summarized  in Eq.  (4.1). Table  4.1 

shows the nomenclature of the catalysts and heat‐treatment conditions together 

with some characterization results. 

Page 161: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

145 

 

  T,t

2 4 2 3 3,cubic 2tungstite

T,t3,cubic 3,monoclinic

H WO H O∙WO WO H O

WO WO

  (4.1) 

Table  4.1.  Nomenclature,  calcination  conditions  and  some  properties  of  the 

photocatalysts. 

CATALYST Calcination

conditions 

Tungstite 

(%) 

Cubic

(%) 

Monoclinic

(%) 

SBET 

(m2 g‐1) pHPZC 

Eg 

(eV) 

W‐0  ‐‐‐  ~100  0  0  27.8  4.71  2.42 

W300‐1 300 °C,       

1 min 82.0  18.0  0  28.7  4.39  2.43 

W300‐3 300 °C,       

3 min 0  100  0  40.3  4.13  2.64 

W300‐5 300 °C,       

5 min 0  85.7  14.3  39.0  4.18  2.65 

W300‐60 300 °C,       

60 min 0  80.3  19.7  n.m  n.m  n.m 

W450‐5 450 °C,       

5 min 0  23.9  76.1  30.2  5.25  2.65 

W450‐30 450 °C,       

30 min 0  9.5  90.5  21.1  4.98  2.67 

     n.m.: not measured  

4.2.2. Characterization 

Thermal gravimetry  and differential  temperature  analysis  (TGA‐DTA) was 

performed with a SETSYS Evolution‐16 apparatus (Setaram) using the following 

conditions:  sample  loading  20 mg,  air  flow  50  cm3 min‐1  at  a  heating  rate  of           

5 °C min‐1 from room temperature to 600 °C. 

The crystalline phases present in the photocatalysts were inferred from their 

X‐ray diffraction  (XRD) patterns recorded using a powder Bruker D8 Advance 

XRD  diffractometer with  a Cu Kα  radiation  (λ  =  0.1541  nm).  The  data were 

collected  from  2θ  =  10°  to  70°  at  a  scan  rate  of  0.02  s−1  and  1  s  per  point. 

Crystalline  composition  semi‐quantitative  analysis  of  the  samples  was 

performed  on  multi‐phase  patterns  by  the  Reference  Intensity  Ratio  (RIR) 

Page 162: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

146 

 

method  using  reference  diffraction  patterns  by means  of  EVA  v.14  software 

(Bruker‐AXS). Due  to  the  overlapping  of  the main  characteristic  peaks  of  the 

cubic  and  monoclinic  WO3  patterns,  the  analyses  for  the  catalysts  with 

monoclinic contribution were performed using a calculated value of RIR for the 

2θ = 28.6° diffraction peak corresponding to the (112) reflection plane. 

BET  surface  area  and  pore  volume  of  the  photocatalysts were determined 

from  their nitrogen adsorption‐desorption  isotherms obtained at  ‐196 °C using 

an Autosorb  1  apparatus  (Quantachrome). Prior  to  analysis  the  samples were 

outgassed at 150 °C for 24 h under high vacuum (< 10−4 Pa). 

The  point  of  zero  charge  (pHPZC)  of  each  sample was  estimated  using  the 

mass  titration method proposed by Subramanian et al.  [13]. Suspensions of  the 

solid in deionized water at 5 % (w/w) were prepared and the pH measured after 

24 h of stirring. 

X‐ray photoelectron spectra (XPS) were obtained with a Kα Thermo Scientific 

apparatus with an Al Kα (h = 1486.68 eV) X‐ray source using a voltage of 12 kV 

under vacuum  (2x10−7 mbar). Due  to  the  lack  of C1s  signal,  binding  energies 

were  calibrated  relative  to  the  O1s  peak  of  stoichiometric WO3  at  530.2  eV 

[14,15]. 

Diffuse reflectance UV‐Vis spectroscopy (DR‐UV‐Vis) measurements, useful 

in  the determination  of  the  semiconductor  band  gap, were  performed with  a 

UV‐Vis‐NIR  Cary  5000  spectrophotometer  (Varian‐Agilent  Technologies) 

equipped with an integrating sphere device. 

4.2.3. Catalytic activity measurements 

Ibuprofen  sodium  salt  (IBP),  was  used  as  target  compound  to  test  the 

catalytic activity of  the synthesized materials. Photocatalytic experiments were 

carried out in semi‐batch mode in a laboratory‐scale system consisting of a 0.5 L 

glass‐made spherical reactor, provided with a gas inlet, a gas outlet and a liquid 

Page 163: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

147 

 

sampling  port.  The  reactor was  placed  in  the  chamber  of  a  commercial  solar 

simulator  (Suntest CPS, Atlas) provided with a 1500 W air‐cooled Xe arc  lamp 

with  emission  restricted  to  visible  light  of  wavelengths  over  390  nm  using 

quartz, glass and polyester cut‐off  filters. The  irradiation  intensity was kept at 

550 W m−2 and the temperature of the system was maintained between 20 and 40 

°C  throughout  the  experiments.  If  required,  a  laboratory  ozone  generator 

(Anseros Ozomat Com AD‐02) was used  to produce  a gaseous ozone‐oxygen 

stream  that was  fed  to  the  reactor.  In  that  case,  the  ozone  concentration was 

monitored by an Anseros Ozomat GM‐6000Pro gas analyzer. 

In a typical photocatalytic ozonation experiment, the reactor was first loaded 

with 0.5 L of an aqueous solution containing 10 mg L‐1 of IBP at pH0 = 6.5 (not 

buffered).  Then,  0.125  g  of  the  catalyst were  added  and  the  suspension was 

stirred in the darkness for 30 min. After this dark stage, the lamp was switched 

on  and,  simultaneously,  a  mixture  of  ozone‐oxygen  (10  mg  L‐1  ozone 

concentration) was  fed  to  the reactor at a  flow rate of 20 L h‐1. The  irradiation 

time for each experiment was 2 h. Samples were withdrawn from the reactor at 

intervals  and  filtered  through  a  0.2  μm  PET  membrane  to  remove  the 

photocatalyst particles except for dissolved ozone analysis.  

Experiments of adsorption  (i.e., absence of radiation and ozone), photolysis 

(i.e., radiation  in absence of catalysts and ozone), photocatalytic oxidation  (i.e., 

radiation and catalyst in absence of ozone), ozonation (i.e., absence of radiation 

and  catalyst),  and  catalytic  ozonation  (i.e.,  absence  of  radiation)  were  also 

carried out for comparative analysis. 

In addition, the effectiveness of the best photocatalytic system was tested in a 

more  realistic  application  under  complete  simulated  solar  light  radiation 

(wavelengths from 300 nm). Ten emerging contaminants: acetaminophen (AAP), 

metoprolol  (MTP),  caffeine  (CAF),  hydrochlorothiazide  (HCT),  antipyrine 

(ANT),  sulfamethoxazole  (SFM),  carbamazepine  (CAR),  ketorolac  (KET), 

diclofenac  (DCF)  and  ibuprofen  (IBP),  frequently  found  in  municipal 

Page 164: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

148 

 

wastewater  effluents  (MWW),  were  selected.  They  were  added  at  initial 

concentration  of  0.5  mg  L‐1  each  to  a MWW  taken  from  Badajoz MWWTP 

(Badajoz,  Spain)  designed  for  225,000  equivalent  inhabitants with  an  average 

inlet  flow  of  37,500  m3  day‐1.  Effluents  were  collected  downstream  of  the 

MWWTP secondary biological treatment and filtered. The carbonate‐bicarbonate 

content was eliminated by air stripping after acidifying the MWW. Then pH was 

restored and MWW was stored at ‐20 °C until use. 

IBP  concentration was  analyzed  by HPLC‐DAD  (Hitachi,  Elite  LaChrom) 

using  a  Phenomenex  C‐18  column  (5  μm,  150 mm  long,  3 mm  diameter)  as 

stationary phase and 0.7 mL min−1 of acetonitrile‐acidified water (0.1 % H3PO4) 

as mobile  phase  (60  ‐  40  v/v,  isocratic).  Identification  and  quantification was 

carried out at 220 nm. ECs concentration in MWW matrix were analyzed by the 

same  HPLC  system  with  0.2 mL min‐1  of  acetonitrile‐acidified water  (0.1  % 

formic acid) as mobile phase with a gradient from 10 % to 100 % in acetonitrile 

in 40 min and 20 min re‐equilibration time. Identification and quantification was 

carried  out  at  the  maximum  wavelength  of  each  compound.  Total  organic 

carbon (TOC) was measured using a Shimadzu TOC‐VSCH analyzer. Aqueous 

ozone  was  measured  by  following  the  indigo  method  using  a  UV‐Vis 

spectrophotometer (Evolution 201, Thermospectronic) set at 600 nm [16]. Ozone 

in the gas phase was continuously monitored by means of an Anseros Ozomat 

GM‐6000Pro  analyzer.  Hydrogen  peroxide  concentration  was  determined 

photometrically  by  the  cobalt/bicarbonate method  at  260  nm  using  a UV‐Vis 

spectrophotometer (Evolution 201, Thermospectronic) [17]. 

4.3. RESULTS AND DISCUSSION 

4.3.1. Characterization of the photocatalysts 

Tungstite  is  a  hydrous  tungsten  oxide,  H2O∙WO3  that  crystallizes  in  the 

orthorhombic  system  and  can  be  thermally  decomposed  into  different WO3 

structures. WO3 consists of a  three‐dimensional array of corner sharing metal‐

Page 165: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

149 

 

oxygen octahedral in a chess‐board type of array. The ideal structure is a ReO3‐

type  cubic  form  but  this  is  easily  distorted  away  since  the  relatively  small 

tungsten  atoms  tend  to be displaced  from  the  center of  the octahedral. These 

displacements are  temperature dependent and also  influenced by  the presence 

of  impurities  which  make  WO3  to  adopt  a  variety  of  symmetry  types: 

monoclinic,  triclinic,  orthorhombic  and  tetragonal.  In  addition,  another  two 

metastable  structures  of  WO3  have  been  obtained  at  low  temperatures: 

hexagonal and pyrochlore [18]. 

Thus, knowing the thermal behavior of the commercial tungstite precursor is 

mandatory  to  understand  the  crystallization  of  the  different WO3  structures. 

Figure 4.1 shows the TGA‐DTA profiles for the H2WO4 precursor. The evolution 

can be divided  in 4 different regions. First of all,  from ambient  temperature  to 

150  °C,  a  small  weight  loss  around  1  %  is  observed  accompanied  by  an 

endothermic contribution which can be assigned to the evaporation of adsorbed 

H2O.  In  region  II,  from  150  to  325  °C,  a  noticeable  weight  loss  is  obtained 

together with an endothermic peak at 225 °C which corresponds with the loss of 

coordinated H2O  from  the  tungstite  structure  to  form  cubic WO3  [11,12]. The 

cubic WO3 structure is metastable and it can be stabilized by the presence of Na+ 

impurities [19]. However, at this temperature, formation of different structures 

such  as  monoclinic  WO3  cannot  be  disregarded  as  it  is  expected  from  the 

absence of impurities in the commercial precursor used here. On the other hand, 

in  the  range 325  ‐ 500  °C  (region  III),  it  can be observed a  slight  endothermic 

contribution around 371 °C  followed by an exothermic peak with a maximum 

centered  at  447  °C  together with  a  slight weight  loss  (around  0.2 %).  In  this 

region,  the complete  transformation of cubic WO3  into monoclinic WO3 occurs 

[11,12]. No significant changes are observed in region IV in the range 500 ‐ 600 

°C. From these results, the heat‐treatment temperature of the precursor was set 

at  300  and  450  °C  to  obtain  different  crystalline  phases  composition  of  the 

catalysts.  The  time  of  the  heat‐treatment  was  relatively  short  (1  ‐  30  min) 

following the work of Cao et al. [11]. One sample was also heat‐treated during 60 

Page 166: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

150 

 

min for comparative purposes.  

0 100 200 300 400 500 6000.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1.00

III

M/M

0

TEMPERATURE (oC)

TGA

I

IVII-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

DT

A DTA

Figure 4.1. TGA‐DTA profiles of H2WO4 precursor. 

The  structural  characterization  of  the  catalysts was  performed  by  XRD  as 

shown  in  Figure  4.2  where  XRD  patterns  of  the  tungstite  H2O∙WO3 

orthorhombic  phase  (JCPDS  018‐1418),  cubic  WO3  (JCPDS  41‐0905)  and 

monoclinic WO3  (JCPDS 043‐1035) have been plotted  for comparison.  It can be 

noticed that the main peaks in the diffraction pattern of the precursor, W‐0, are 

attributable  to  the orthorhombic phase of  tungstite, although a small shoulder 

around 24.2° can also indicate a low contribution of the cubic WO3 phase. When 

the  precursor  is  heat‐treated  at  300  °C  the  cubic  structure  of  WO3  is 

progressively formed as the time of calcination increases. Thus, for 1 min at 300 

°C  (W300‐1)  it can be observed  the coexistence of  tungstite orthorhombic phase 

together  with  cubic WO3,  as  the main  peaks  of  tungstite  at  16.5°  and  25.6° 

decreased in favor of the increasing cubic diffraction peaks. The transformation 

of tungstite into cubic WO3 has been completed in the W300‐3 catalyst, where the 

main  tungstite  diffraction  peaks  have  completely  disappeared  and  all  the 

diffraction  peaks  are  attributable  to  cubic  crystalline  structure. After  that,  an 

Page 167: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

151 

 

increase  in  the  time  of  calcination  at  300  °C  provokes  the  formation  of 

monoclinic WO3  to  some  extent.  This  can  be  noticed  by  the  presence  of  the 

contributions  centered  at  26.5°  and  28.6°.  These  are  characteristics  of  the 

monoclinic crystalline structure, together with the widening of the peaks at 23.9 

and  34.0°  that  are  affected  by  the  overlapped  cubic‐monoclinic  contributions, 

with  the  formation of  the  triple peaks  in monoclinic phase  at  these  2 values 

corresponding  to  reflections  from  (001),  (020)  and  (200)  planes  [14].  It  is  also 

noticeable  that  an  increase  in  the  calcination  time  from  5  to  60 min  did  not 

produce any significant change in the XRD patterns (W300‐5 and W300‐60) which 

is  indicative  of  the  stabilization  of  the  cubic  structure  at  this  temperature. 

Finally,  the  temperature  increase  from  300  to  450  °C  provoked  the 

transformation  of  the  cubic phase  of WO3  into monoclinic  to  a  greater  extent 

according  to previous TGA‐DTA  results. Table 4.1 shows  the semiquantitative 

analysis of crystalline phases in the catalysts. 

Table 4.1 also summarizes the BET surface area values of the catalysts from 

N2 adsorption‐desorption isotherms. In general, small surface areas are obtained 

in this type of materials unless different strategies are used for this purpose. As 

can be observed, the surface areas undergo a slight  increase (from c.a. 30 to 40 

m2 g‐1) when the dehydration of tungstite occurs and cubic crystalline structure 

is  formed.  On  the  other  hand,  at  higher  calcination  temperature  (450  °C),  a 

decrease of the surface area is observed in the catalyst, being higher as the time 

of the heat treatment increases. 

Page 168: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

152 

 

10 20 30 40 50 60 70

W300

-60

W450

-30

W450

-5

W300

-5

W300

-3

W300

-1

2 (º)

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

W-0

H2WO

4, tungstite (orthorhombic)

018-1418

WO3, cubic

41-0905

WO3, monoclinic

043-1035

 

Figure 4.2. XRD patterns of the catalysts. 

Page 169: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

153 

 

The  pH  of  the  point  of  zero  charge was  also  determined  for  the  catalysts 

studied and the results are summarized  in Table 4.1. The acidity of the surface 

can play a significant role in the behavior of WO3 based materials in wastewater 

treatments  related  to  adsorption processes of organic  compounds  and  species 

with unpaired electrons [20]. It can be noticed a slight decrease  in the value of 

pHPZC together with the transformation of tungstite into WO3 cubic structure so 

that the catalysts with this majority crystalline phase have a pHPZC value around 

4. On the other hand, an increase in the calcination temperature up to 450 °C led 

to pHPZC values around 5  for W450‐5 and W450‐30 catalysts. The decrease of  the 

surface acidity with increasing the calcination temperature has been previously 

reported  in monoclinic WO3  [21]  and WO3‐ZrO2  catalysts  [22],  and  has  been 

attributed to the creation of vacancies in the WO3 structure from the extraction 

of  lattice oxygen, which  leads  to a decrease  in  the number of Lewis acid  sites 

[21].  In  addition,  a  higher  calcination  temperature  could  also  produce  the 

dehydration/dehydroxylation of  the WO3  surface  to  some  extent  lowering  the 

number of Brönsted acid sites [21]. 

Surface characterization of the catalysts was performed by XPS to analyze the 

stoichiometry and chemical binding states of W. XPS spectra of W4f region are 

depicted  in  Figure  4.S1  of  the  supplementary  information.  In  all  cases,  the 

spectra obtained showed a doublet with binding energies around 35.5 and 37.6 

eV  for W 4f7/2 and W 4f5/2, respectively, with  the W 4f7/2‐W4f5/2 binding energy 

separation being 2.1 eV. The energy position of this doublet corresponds to the 

W6+ oxidation  state  in WO3  [14,15,23]. On  the other hand, XPS  spectra of O1s 

spectral  region  for  all  the  catalysts  are  shown  in  Figure  4.S2.  The  main 

contribution  at  530.2  eV  has  been  assigned  to  oxygen  in  the  WO3  lattice 

[14,15,24]. Moreover, an additional  contribution  centered at 532.5 eV has been 

observed  for W‐0  and W300‐1  catalysts, which has been  assigned  to oxygen  in 

water molecules bound in the tungstite structure (H2O∙WO3) or absorbed in the 

catalyst surface [14]. This is consistent with TGA‐DTA and XRD results having 

Page 170: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

154 

 

these two catalysts more than 80 % of tungstite in their structure. 

The  diffuse  reflectance  UV‐Vis  spectra  of  the  photocatalysts  (Figure  4.3) 

showed a higher optical absorbance  in  the visible  region up  to ca. 530 nm  for 

tungstite composed catalysts (W‐0 and W300‐1), whereas decreased to ca. 480 nm 

for cubic and monoclinic WO3 composed catalysts (W300‐3, W300‐5, W450‐5, W450‐

30).  The  optical  energy  band  gap  (Eg)  was  calculated  by  means  of  Tauc’s 

expression  in  Figure  4.S3  (supplementary  information),  and  results  are 

summarized  in  Table  4.1.  These  values  are  approximate  due  to  the  need  of 

extrapolation of  the  resulting  curve as  can be observed  in Fig. 4.S3  for all  the 

catalysts. The Eg value for tungstite H2WO4 (major component of W‐0 and W300‐

1) was found to be 2.42 eV which is increased up to 2.64 when the precursor is 

completely transformed into cubic WO3 structure (in W300‐3 catalyst). Then, the 

Eg value progressively increased up to 2.67 eV as monoclinic WO3 was formed. 

These results are quite similar to previously reported values [7,11]. 

200 300 400 500 600 700 800 9000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

AB

SO

RB

AN

CE

(u

.a.)

WAVELENGTH (nm)

W-0 W

300-1

W300

-3

W300

-5

W450

-5

W450

-30

      Figure 4.3. DR‐UV‐Vis spectra of the catalysts. 

4.3.2. Comparison of processes 

The  effectiveness  of  the photocatalysts  in  the use  of  visible  light  radiation 

Page 171: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

155 

 

combined with ozone was tested using IBP as target compound by cutting off all 

the wavelengths lower than 390 nm in the solar simulator. First, the performance 

of  the  combined  process  (photocatalytic  ozonation)  respect  to  the  single 

treatments has been checked with all the catalysts. Results obtained with W450‐5 

catalyst  are  depicted  in  Figure  4.4  and  Figure  4.5,  being  this  catalyst 

representative of the behavior of the most active ones. Fig. 4.4(A) shows the time 

evolution  of  IBP  dimensionless  concentration  upon  the  different  treatments 

applied. First of all,  the absence of  IBP depletion due  to direct photolysis with 

visible  light  radiation  was  confirmed  which  is  consistent  with  the  UV‐Vis 

absorption  spectrum  of  this  compound  (supplementary  Figure  4.S4).  On  the 

other  hand,  IBP  adsorption  capacity  of  the W450‐5  catalyst  at  the  conditions 

studied here was  somewhat noticeable,  reaching around 10 % of  IBP  removal 

after 2 h  contact  time. The depletion  rate of  IBP  is  increased  in photocatalytic 

oxidation reaching 25 % of IBP removal after 2 h of treatment although it can be 

noticed  the  low  efficiency  of  the  process  as  a  consequence  of  the  high 

recombination rate  in WO3 materials used  in the presence of oxygen [5]. When 

O3 is present, all the treatments led to complete IBP removal in less than 1 h of 

reaction  time  (with  conversion  higher  than  99  %)  regardless  of  the 

presence/absence of catalyst and/or  radiation  in contrast  to O3‐free  treatments. 

Although  the  evolution of  IBP  is quite  similar  for  all  the O3‐treatments,  some 

slight differences  can be observed  in  the depletion  rate. Single ozonation  and 

photolytic  ozonation  presented  quite  similar  IBP depletion  rate. On  the  other 

hand, the presence of the W450‐5 catalysts and ozone in dark conditions (catalytic 

ozonation)  did  not  improve  the  degradation  of  IBP  thus  indicating  that  this 

catalyst does not exert any catalytic effect in ozone decomposition into reactive 

species such as hydroxyl radicals or produces an  inefficient decomposition  for 

IBP  degradation.  Photocatalytic  ozonation  gave  place  to  the  highest  IBP 

depletion rate reaching complete IBP removal in 20 min compared to 40 ‐ 50 min 

necessary for the other O3 treatments. 

 

Page 172: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

156 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

Adsorption Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photolytic ozonation Photocatalytic ozonation

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  4.4.  (A)  IBP  and  (B) TOC dimensionless  concentration  evolution during  all  the 

treatments applied with W450‐5 catalyst (lines show trends). Conditions: pH0 = 6.5, T = 20 ‐

‐ 40 °C, CIBP,0 = 10 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

On  the other hand,  it  is known  that  the oxidation of  IBP proceeds  through 

different  steps  giving  place  to  different  intermediate  compounds  which  are 

eventually transformed  into CO2 and H2O (complete mineralization). Thus, the 

(A)

(B)

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

TO

C/T

OC

0

TIME (min)

0

0

CT

OC

/CT

OC

,0

Page 173: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

157 

 

mineralization  of  IBP  has  been  followed  and  presented  in  Fig.  4.4(B)  as 

normalized TOC concentration. As expected  from previous  IBP results, neither 

adsorption  nor direct photolysis  led  to  significant mineralization percentages. 

Photocatalytic oxidation also gave place  to negligible mineralization according 

to  the  IBP conversion  reached,  lower  than 25 %. Regarding  the O3‐treatments, 

noticeable differences have been  found depending on  the presence/absence of 

radiation and/or photocatalyst. Single ozonation led to 25 % of mineralization at 

60  min  and  then  stopped  as  a  consequence  of  the  formation  of  some 

intermediate  compounds  that  are  refractory  to  ozone  direct  reaction  (mainly 

short‐chain organic acids) [25], and/or due to the absence of IBP in the reaction 

medium which  eventually  produces  hydroxyl  radicals  through  IBP‐O3  direct 

reaction  as  discussed  below.  Fairly  similar  results  were  observed  during 

photolytic  ozonation  under  visible  light  radiation.  On  the  other  hand,  the 

presence  of  the  catalyst  combined  with  ozone  in  dark  conditions  (catalytic 

ozonation)  did  not  improve  the  previous  results.  This  process  showed  the 

poorest  behavior  among  the  O3‐treatments  in  terms  of  mineralization,  with 

negligible TOC conversion during  the reaction  time, confirming  the absence of 

any  positive  catalytic  effect  in  the  reaction.  In  fact,  the  low  mineralization 

reached compared to ozone alone treatment is likely indicative of an inefficient 

consumption  of O3  in  the  catalyst  surface  in  the  darkness.  These  results  are 

contrary to those found for the mineralization of phenol with a commercial WO3 

(monoclinic) catalyst [5], which points out that the target compound nature can 

play  a key  role  in  the  interactions  compound‐catalyst  surface during  catalytic 

ozonation.  On  the  contrary,  photocatalytic  ozonation  showed  the  highest 

mineralization  rate,  leading  to  87 % mineralization  at  120 min  reaction  time. 

These results also point out the synergism produced between ozone and visible 

light irradiated WO3 since final TOC removal of the combined process is much 

higher  than  the  sum  of  these  values  for  the  individual  processes  (87  %  in 

O3/WO3/Vis vs. 5 % in O2/WO3/Vis and 25 % in O3), confirming also the ability of 

O3 to capture the electrons on the WO3 surface compared to O2 [5].  

Page 174: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

158 

 

0 20 40 60 80 100 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

6x10-5

CO

3 (M

)

TIME (min)

0 20 40 60 80 100 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5 Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photolytic ozonation Photocatalytic ozonation

CH

2O2 (M

)

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  4.5.  (A) Dissolved O3  concentration  and  (B) H2O2  concentration  during  all  the 

treatments applied with W450‐5 catalyst (lines show trends). Conditions: pH0 = 6.5, T = 20 ‐

‐ 40 °C, CIBP,0 = 10 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

 

In  addition,  time  profiles  of  dissolved  ozone  and  hydrogen  peroxide 

concentration during the treatments have been plotted in Figure 4.5. Regarding 

(A)

(B)

Page 175: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

159 

 

dissolved  ozone,  in  Fig.  4.5(A)  it  is  seen  that  ozone  accumulated  in  solution 

during  the  single ozonation experiment  reaching a maximum concentration at 

about  60 min  reaction  time. Different profiles were  observed  in  the  other O3‐

treatments  in which  ozone  concentration  increased  in  the  first minutes  of  the 

experiment  and  then  remained  almost  constant. The ozone  concentration was 

always  lower  in  catalytic  ozonation  than  during  single  ozonation.  This 

observation  together  with  the  low  mineralization  reached,  is  an  additional 

evidence  of  an  inefficient  decomposition  of O3  on  the  catalyst  surface  in  the 

darkness.  On  the  other  hand,  in  the  photocatalytic  ozonation  process,  the 

maximum concentration of dissolved ozone was noticeably  lower,  leading  to a 

nearly  steady  concentration  of  about  1x10‐5 M  in  contrast  to  5x10‐5 M  during 

single ozonation. The lowest values of dissolved ozone together with the highest 

mineralization  rate  observed  in  this  treatment  suggest  that  O3  has  been 

consumed  on  the  WO3  catalyst  surface  through  its  reaction  with  electrons 

generated  in  the  photocatalytic  process,  thus  enhancing  the  production  of 

oxidizing species such as hydroxyl radicals, as with TiO2 catalysts [1,2,26].  

On  the other hand, hydrogen peroxide  is commonly  formed  through direct 

ozone reactions [27‐29]. This has been experimentally confirmed in this work for 

IBP, as shown in Fig. 4.5(B). Thus, during single ozonation an increase in H2O2 

concentration  up  to  45  min,  when  IBP  was  completely  removed,  can  be 

observed. Then, H2O2 concentration remained almost constant until  the end of 

the  experiment.  The  concentration  of  H2O2  formed  during  catalytic  and 

photolytic  ozonation  was  somewhat  lower.  On  the  other  hand,  during 

photocatalytic  ozonation  the  formation  of  H2O2  takes  place  at  higher  rate 

reaching  a  maximum  concentration  at  about  20  ‐  30  min  when  IBP  was 

completely  removed.  Then  the  consumption  of  H2O2  was  faster  and  its 

concentration negligible at the end of the treatment. These results point out that 

H2O2 is being consumed through photocatalytic reactions probably acting as an 

electron acceptor in the WO3 surface thus increasing the production of hydroxyl 

Page 176: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

160 

 

radicals  and  avoiding  recombination  to  some  extent,  as  also occurs with TiO2 

[26]. Finally,  the  formation of H2O2 during photocatalytic oxidation was much 

lower  than  in  ozone  processes  confirming  the  production  of  H2O2  mainly 

through direct IBP‐O3 reaction. 

Therefore,  compared  to  individual  processes,  photocatalytic  ozonation 

treatment with WO3 and visible‐light radiation led to a faster IBP depletion with 

the  highest mineralization  rate  due  to  the  synergistic  effect  between O3  and 

irradiated WO3. 

4.3.2.1. Simplified mechanistic approach of IBP photocatalytic ozonation 

Direct ozone reactions  in water follow second order kinetics and the kinetic 

regime  can  be  established  through  the  determination  of  the  Hatta  number 

according to [25]: 

  3 3IBP O O IBP

L

k D CHa

k

  (4.2) 

where DO3 = 1.3x10‐9 m2 s‐1 is the ozone diffusivity in water [30], and kL = 5x10‐5 

m s‐1 is the individual liquid phase mass transfer coefficient for a bubbled stirred 

tank [31], being CIBP the molar IBP concentration and kIBP‐O3 = 9.1 M‐1 s‐1 the direct 

reaction rate constant at pH = 7 [32]. The highest calculated Ha value was 0.023 

for  the  initial  conditions  thus  confirming  slow  kinetic  regime  of  ozone 

absorption.  Thus,  the  depletion  rate  of  IBP  through  direct  O3  reaction  is 

described as follows: 

 3 3

3

IBPIBP O O IBP

O

dC 1k C C

dt z

  (4.3) 

where z = 1  is  the  stoichiometric coefficient of  the  reaction  in mol O3/mol  IBP 

and CO3 is the dissolved ozone concentration. The differential equation (4.3) was 

solved using the value of the kinetic constant and the experimental values of CO3 

Page 177: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

161 

 

by means of 4th order Runge‐Kutta. The results of simulated dimensionless CIBP 

together with  the experimental values during single ozonation are depicted  in 

Figure 4.6. It can be clearly noticed that the experimental rate of IBP depletion is 

higher  than  the  expected  results  (simulated),  thus  indicating  that  additional 

reactions may develop and contribute to IBP removal. Indirect reactions due to 

O3 decomposition are initiated through the following steps: 

  3 2 2O HO HO O   (4.4) 

 pKa 11.3

2 2 2H O HO H   (4.5) 

  ‐2 3 23HO O O HO   (4.6) 

 pKa 4.8 ‐

2 2HO O H

  (4.7) 

  ‐ ‐32 3O O O   (4.8) 

 ‐3O H ... HO

  (4.9) 

These reactions lead to the formation of hydroxyl radicals ( HO) capable of 

oxidizing  IBP  in water. However,  the pH of  the reaction varied from 6.5  to 4.5 

and therefore, reaction (4.4) between  3O / HO seems not to play an important 

role  on  the  IBP  disappearance.  In  addition,  an  accumulation  of  H2O2  was 

observed during  the  single ozonation  experiment  (Fig.  4.5(B)),  thus  indicating 

that reaction  (4.6) between  3 2O / HO can be also disregarded. These evidences 

together with the evolution of mineralization whereas IBP is still present in the 

reaction medium  lead to hypothesize the formation of ozonide radical through 

IBP‐O3  direct  reaction,  as  it  has  been  previously  reported  for  phenol  or 

diclofenac [28,33,34]: 

 ‐33 OINTOIBP   (4.10) 

which immediately results in the formation of HOthrough reaction (4.9), being 

Page 178: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

162 

 

0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

Experimental Simulated O

3

Simulated O3+HO·

INT any intermediate organic compound. 

 

Figure  4.6.  Experimental  and  simulated  IBP  dimensionless  concentration  evolution 

during single ozonation. Conditions: pH0 = 6.5, T = 20 ‐ 40 °C, CIBP,0 = 10 mg L‐1, CO3,g inlet 

= 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O3/O2). 

With  these  considerations,  the  depletion  rate  of  IBP  through  direct  O3 

reaction  taking  into  account  the  formation  of  HO  during  this  reaction  is 

described as follows: 

 3 3

3

IBPIBP O O IBP IBPIBP HO HO

O ‐HO

dCk C C k C C

dt

  (4.11) 

 3 3

3

HOIBP O O IBP IBPIBP HO HO

IBP‐O

dCk C C k C C

dt

  (4.12) 

where kIBP‐HO∙ is the rate constant between hydroxyl radical and IBP and CHO∙ is 

the hydroxyl  radical  concentration. The differential equations  (4.11) and  (4.12) 

were  simultaneously  solved  using  the  value  of  the  kinetic  constants  and  the 

experimental values of CO3 by means of 4th order Runge‐Kutta (kIBP‐HO∙ = 7.4x109 

Page 179: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

163 

 

M‐1  s‐1  [32]).  These  results  are  also  depicted  in  Figure  4.6,  where  it  can  be 

observed  that  the  experimental  IBP  depletion  rate  is  still  higher  than  the 

simulated values. This could be related to the accuracy of the rate constants used 

for the simulation and/or the development of additional IBP degradation routes. 

The confirmation of the different degradation ways needs extra experiments out 

of the scope of this work.  

According  to  this  and  the  previous  findings,  it  can  be  postulated  that 

photocatalytic ozonation of IBP with WO3 catalyst takes place through reactions 

(4.13) ‐ (4.20), where both O3 and HO are responsible for IBP disappearance and 

photogenerated  oxidizing  species  ( HO   and/or  positive  holes)  are  the  main 

responsible for mineralization. 

  3 2 2IBP O ... INT H O HO   (4.13) 

  h3 3 3WO WO e WO h

  (4.14) 

  3 3WO e O ... HO   (4.15) 

  3 2 2WO e H O ... HO   (4.16) 

  3WO h IBP INT   (4.17) 

  HO IBP INT   (4.18) 

  3 2 2WO h INT ... CO H O   (4.19) 

  2 2HO INT ... CO H O   (4.20) 

Reaction (4.13) summarizes the direct IBP‐O3 steps that would  lead to some 

large organic  intermediates  together with  the H2O2 detected  and  accumulated 

during single ozonation experiment, and eventually with the formation of HO . 

On the other hand, visible light radiation provokes the creation of electron‐hole 

pairs (reaction (4.14)) and electrons are proposed to react with dissolved O3 and 

Page 180: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

164 

 

H2O2  through  reactions  (4.15)  and  (4.16),  according  to  the  profiles  of  these 

species  during  photocatalytic  ozonation  versus  single  ozonation.  Finally, 

photogenerated holes and hydroxyl radicals can oxidize both IBP and any INT 

to  achieve  the  complete  conversion  into CO2  and H2O  according  to  reactions 

(4.17) ‐ (4.20). 

The relative contribution of each step to the overall process would depend on 

the experimental conditions  (e.g. pH, ozone dose or catalyst  loading), and  the 

confirmation  of  the  intermediate  species  formed  requires  additional 

experimental work that will be the subject of a future work. 

4.3.3.  Catalysts  screening  for  photocatalytic  ozonation  under  visible‐light 

radiation 

All the catalysts prepared were tested in the photocatalytic ozonation of IBP 

under visible‐light  radiation. The  results are depicted  in Figure 4.7 and Figure 

4.8 together with single ozonation results for the sake of comparison. Regarding 

the evolution of IBP (Fig. 4.7(A)) results are quite similar although some trends 

can  be  extracted.  First  of  all,  slight  differences  were  observed  in  the  IBP 

adsorption  capacity  of  the  catalysts  during  the  dark  stage  that  is  generally 

consistent  with  the  values  of  pHPZC  obtained  where  a  higher  surface  acid 

character  led  to  a  higher  amount  of  initial  IBP  adsorbed.  However,  these 

differences seem not to play a crucial role in the behavior of the catalysts. On the 

other hand, it can be noticed that W‐0 and W300‐1 catalysts gave place to similar 

IBP depletion rate than ozone alone whereas the rest of the catalysts gave place 

to a slight higher depletion rate. In general, the catalytic activity is increased as 

the heat‐treatment  in  time and/or  temperature was  increased. Main differences 

between  ozone  and  O3‐photocatalytic  processes  were  found  in  terms  of 

mineralization (see Fig. 4.7(B)). Ozone alone gave place to a 25 % mineralization 

at about 60 min reaction time. On the other hand, the tungstite precursor, W‐0, 

and  the  subsequent  catalysts  W300‐1  and  W300‐3  showed  a  very  different 

normalized TOC profile. It can be noticed a first step in which mineralization is 

Page 181: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

165 

 

slow, with a TOC removal rate fairly lower than during ozone alone reaction up 

to 60 min. After this time, the mineralization rate increased achieving around 35 

‐ 40 % of mineralization at 120 min with the three catalysts. It can be noticed that 

in addition to the differences  in the properties of these three catalysts (Eg, SBET, 

pHPZC, etc.),  they have  in common  that no monoclinic WO3 crystallization has 

occurred  during  the  heat‐treatment  applied.  A  significant  increase  in  the 

catalytic activity is observed with the W300‐5 catalyst in terms of mineralization, 

reaching around 70 % TOC  removal at 120 min. The main difference between 

this and the previous catalysts is the presence of monoclinic crystalline phase to 

some  extent  in  its  structure  according  to  XRD  results.  The  best  results were 

obtained  with  the  450  °C  heat‐treated  catalysts  reaching  around  85  ‐  87  % 

mineralization  at  120 min  reaction  time.  In  these  catalysts,  a  contribution  of 

monoclinic WO3 higher  than 75 % was observed  together with a higher pHPZC 

which could indicate the presence of oxygen vacancies to some extent, although 

this could not be confirmed by XPS. The differences found in the mineralization 

profile  of W450‐5  and W450‐30  catalysts,  the  first  one  leading  to  the  highest 

mineralization rate, could be related to the higher SBET found in this catalyst. 

In  addition,  the  evolution  of  dissolved  ozone  and  hydrogen  peroxide 

concentration  formed  during  the  reaction  has  been  plotted  in  Figure  4.8. 

Regarding dissolved ozone (Fig. 4.8(A)), it is noticeable the lowest values of the 

steady  concentration  with  the  most  active  catalysts,  W450‐5  and  W450‐30, 

compared to the single ozonation reaction. These results suggest an efficient O3 

consumption  on  the  catalysts  surface  through  its  reaction with  the  electrons 

generated in the photocatalytic process. Fig. 4.8(B) shows the hydrogen peroxide 

concentration evolution for all the catalysts where a faster decomposition rate is 

also observed  for  the most  active ones  (W450‐5  and W450‐30),  thus being  likely 

indicative  of  a  higher  consumption  of  H2O2  in  surface  reactions  as  electron 

acceptor. 

Therefore, at similar textural and optical properties, the monoclinic structure 

Page 182: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

166 

 

-20 0 20 40 600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

W-0 W300-1

W300-3

W300-5

W450-5

W450-30

O3

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

in WO3 catalysts seems to be beneficial for the photocatalytic ozonation process 

under visible light.  

 

Figure  4.7.  (A)  IBP  and  (B)  TOC  dimensionless  concentration  evolution  during 

photocatalytic ozonation with all  the  catalysts  studied  (lines  show  trends). Conditions: 

pH0 = 6.5, T = 20 ‐ 40 °C, CIBP,0 = 10 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L 

h‐1 (O3/O2). 

 

(A)

(B)

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

TO

C/T

OC

0

TIME (min)

0

0

CT

OC

/CT

OC

,0

Page 183: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

167 

 

0 20 40 60 80 100 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

6x10-5

CO

3 (M

)

TIME (min)

0 20 40 60 80 100 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

6x10-5

W-0 W300-1

W300-3

W300-5

W450-5

W450-30

O3

CH

2O2 (M

)

TIME (min)

Figure  4.8.  (A)  Dissolved  O3  concentration  and  (B)  H2O2  concentration  during 

photocatalytic ozonation with all  the  catalysts  studied  (lines  show  trends). Conditions: 

pH0 = 6.5, T = 20 ‐ 40 °C, CIBP,0 = 10 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3 g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L 

h‐1 (O3/O2). 

(A)

(B)

Page 184: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

168 

 

4.3.4. Simulated solar light photocatalytic ozonation of ECs in MWW 

The selected catalyst W450‐5 which presented the highest catalytic activity in 

the  photocatalytic  ozonation  of  IBP  with  visible  light  was  tested  in  the 

photocatalytic ozonation of a mixture of ten ECs (AAP, MTP, CAF, HCT, ANT, 

SFM, CAR, KET, DCF and  IBP)  in a  real municipal wastewater effluent. Main 

parameters  of  the  MWW  effluent  are  summarized  in  Table  4.2.  The 

photocatalytic ozonation  treatment was  carried out using  the  entire  simulated 

solar  spectrum  (λ  >  300  nm).  For  comparative purposes  also  single  ozonation 

treatment was carried out. The evolution of the ECs is depicted in Figure 4.9. It 

can be noticed that many of these compounds (AAP, ANT, SFM, CAR, KET and 

DCF)  presented  similar  depletion  rate  both  in  single  ozonation  and 

photocatalytic  ozonation  treatments  as  a  consequence  of  their  high  reactivity 

towards  O3.  Thus,  O3  itself  is  highly  effective  to  remove  these  compounds. 

Direct rate constants of ECs with O3 are summarized in Table 4.S1. On the other 

hand, the ECs whose rate constant is low such as MTP, CAF, HCT and IBP, were 

faster eliminated  through photocatalytic ozonation  (in  less  than 60 min), being 

the differences found between ozone alone and the combined process higher the 

lower the direct rate constant of O3‐EC reaction was. Again in the MWW matrix 

main  differences  between  ozone  and  photocatalytic  ozonation were  found  in 

terms of TOC removal as shown  in Figure 4.10. As  it can be seen, ozone alone 

gave  place  to  a  lower  degree  of mineralization  reaching  less  than  10 %  TOC 

removal  after  120  min  in  contrast  to  more  than  40  %  for  photocatalytic 

ozonation.  In  addition,  Table  4.2  also  shows  the  characterization  of  the 

wastewater  after  the  treatments  being  noticeable  the  decrease  in  COD  and 

aromaticity  when  the  combined  treatment  was  applied.  Finally,  Figure  4.11 

shows the evolution of dissolved O3 concentration together with the formation 

of H2O2  during  the  treatments.  The  obtained  profiles  are  consistent with  the 

previous results thus indicating the consumption of both O3 and H2O2 (formed 

through O3‐ECs direct reaction) at the WO3 surface  leading to the formation of 

additional  oxidizing  species  such  as  hydroxyl  radicals,  which  improve  the 

Page 185: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

169 

 

mineralization  reached.  Thus,  intermediate  compounds  formed  from  ECs 

oxidation  are  expected  to  be  more  easily  eliminated  through  photocatalytic 

ozonation compared to single ozonation. 

Therefore,  the  use  of WO3  as  catalyst  for  photocatalytic  ozonation  of  ECs 

containing MWW  is  an  attractive  alternative  that  improves  the  use  of  solar 

radiation  leading  to  a  fast  elimination  of  organic  contaminants  (mainly  those 

refractory to ozone reactions) and achieving an important mineralization degree. 

Table 4.2. Characterization of MWW effluent. 

PARAMETER  Before treatment  Ozonation  Photocatalytic ozonation 

TOC (mg C L‐1)  14.2  13.1  8.2 

IC (mg C L‐1)  0.19  0.15  0.20 

Turbidity (NTU)  3.0  n.m.  n.m. 

pH  6.5  5.9  5.7 

Absorbance 254 nm  0.268  0.102  0.015 

COD (mg O2 L‐1)  44  33  13 

BOD5 (mg O2 L‐1)  28  n.m.  n.m. 

Phosphate (mg L‐1)  5  5  5 

        n.m.: not measured 

 

 

 

 

 

 

Page 186: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

170 

 

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

0

TIME (min)

Ozonation Photocatalytic ozonation

AAP

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0MTP

C/C

0

TIME (min)

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0CAF

C/C

0

TIME (min)-30 0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

HCT

C/C

0

TIME (min)

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0ANT

C/C

0

TIME (min)-30 0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0SFM

C/C

0

TIME (min)

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0CAR

C/C

0

TIME (min)-30 0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0KET

C/C

0

TIME (min)

-30 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0DCF

C/C

0

TIME (min)-30 0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0IBP

C/C

0

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  4.9.  ECs  dimensionless  concentration  during  ozonation  and  photocatalytic 

ozonation with W450‐5 catalyst in a MWW effluent (lines show trends). Conditions: pH0 = 

6.5, T = 20 ‐ 40 °C, CECs,0 = 0.5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 

(O3/O2). 

Page 187: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

171 

 

0 20 40 60 80 100 1200.0

4.0x10-6

8.0x10-6

1.2x10-5

1.6x10-5

2.0x10-5

2.4x10-5

CO

3 (M

)

TIME (min)

0 20 40 60 80 100 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

6x10-5

7x10-5

Ozonation Photocatalytic ozonation

CH

2O2(

M)

TIME (min)

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

Ozonation Photocatalytic ozonation

Dark

 

Figure  4.10.  TOC  dimensionless  concentration  evolution  during  ozonation  and 

photocatalytic  ozonation with W450‐5  catalyst  in  a MWW  effluent  (lines  show  trends). 

Conditions: pH0 = 6.5, T = 20 ‐ 40 °C, CECs,0 = 0.5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg 

L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O3/O2). 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.11. (A) Dissolved O3 concentration and (B) H2O2 concentration during ozonation 

and photocatalytic ozonation with W450‐5 catalyst in MWW effluent (lines show trends). 

Conditions: pH0  =  6.5, T  =  20  ‐  40  °C, CECs,0  =  0.5 mg L‐1, CWO3  =  0.25 g L‐1, CO3,g  inlet  =                      

10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O3/O2). 

 

(A) (B)

Page 188: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

172 

 

4.4. CONCLUSIONS 

WO3  catalysts  with  different  structural  and  surface  properties  where 

prepared  by  thermodecomposition  of  commercial  tungstite  (H2O∙WO3)  at 

different temperatures, 300 and 450 °C, and short times, from 1 to 30 min. This 

heat‐treatment  allows  obtaining  tungstite,  cubic  and  monoclinic  crystalline 

phases  of  tungsten  trioxide.  In  general,  as  time  or  temperature  increased, 

monoclinic  structure  is  formed which  is  also  accompanied  by  a  reduction  of 

specific surface area and an increase in the presence of oxygen vacancies. These 

properties, monoclinic structure together with the presence of oxygen vacancies 

played  a  key  role  in  the  behavior  of  the WO3  catalysts  in  the  photocatalytic 

ozonation of IBP under visible light radiation, favoring the electron transport in 

the catalyst surface to some extent, thus improving the efficiency of the process. 

Among  the  treatments  tested  with  the  best  catalytic  system,  photocatalytic 

ozonation  showed  a  synergistic  effect  between  ozone  and  irradiated  WO3 

leading  to  a  complete  IBP  depletion  in  less  than  20  min  with  a  degree  of 

mineralization of about 87 % at 120 min. Finally, the use of WO3 as catalyst for 

photocatalytic  ozonation  of  ECs  in  a  MWW  effluent  with  simulated  solar 

radiation led to a fast elimination of the contaminants in less than 60 min and a 

mineralization degree higher than 40 % at 120 min. The mechanism and kinetics 

of  photocatalytic  ozonation with WO3  catalysts will  be  the  subject  of  further 

work. 

AKNOWLEDGEMENTS 

This  work  has  been  supported  by  the  Spanish  Ministerio  de  Economía, 

Industria y Competitividad (MINECO) and European Feder Funds through the 

project CTQ2012‐35789‐C02‐01. Authors  acknowledge  the SACSS‐SAIUEX  and 

UAI‐ICP  for  the  characterization  analyses.  E. Mena  thanks  the Consejería  de 

Empleo, Empresa e Innovación (Gobierno de Extremadura) and European Social 

Fund for providing her a predoctoral FPI grant (Ref. PD12059). 

Page 189: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

173 

 

REFERENCES 

[1] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K.  “A  review  of  synergistic  effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C: Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[2]  Augugliaro,  V.;  Litter,  M.;  Palmisano,  L.;  Soria,  J.  “The  combination  of 

heterogeneous photocatalysis with chemical and physical operations: A tool for 

improving  the  photoprocess  performance”.  J.  Photochem.  Photobiol.  C 

Photochem. Rev. 7 (2006) 127‐144. 

[3]  Hernández‐Alonso,  M.D.;  Fresno,  F.;  Suárez,  S.;  Coronado,  J.M. 

“Development  of  alternative  photocatalysts  to  TiO2:  Challenges  and 

opportunities”. Energ. Environ. Sci. 2 (2009) 1231‐1257. 

[4] Malato,  S.;  Fernández‐Ibáñez,  P.; Maldonado, M.I.;  Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59. 

[5] Nishimoto, S.; Mano, T.; Kameshima, Y.; Miyake, M. “Photocatalytic water 

treatment over WO3 under visible  light  irradiation combined with ozonation”. 

Chem. Phys. Letters 500 (2010) 86‐89. 

[6] Abe, R.;  Takami, H.; Murakami, N.; Ohtani,  B.  “Pristine  simple  oxides  as 

visible  light  driven  photocatalysts: Highly  efficient  decomposition  of  organic 

compounds over platinum‐loaded tungsten oxideʺ. J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 

7780‐7781. 

[7] González‐Borrero,  P.P.;  Sato,  F.; Medina, A.N.;  Baesso, M.L.;  Bento, A.C.; 

Baldissera, G.; Persson, C.; Niklasson, G.A.; Granqvist, C.G.; Ferreira da Silva, A. 

“Optical  band‐gap  determination  of  nanostructured WO3  film”.  Appl.  Phys. 

Letters 96 (2010) 061909‐1‐061909‐3. 

[8]  Mano,  T.;  Nishimoto,  S.;  Kameshima,  Y.;  Miyake,  M.  “Investigation  of 

photocatalytic  ozonation  treatment  of  water  over  WO3  under  visible  light 

irradiation”. J. Ceramic. Soc. Japan 119 (2011) 822‐827. 

[9] Barceló, D.; Petrovic, M. (Eds.). “Emerging contaminants from industrial and 

municipal  wastes.  Occurrence,  analysis  and  effects”.  The  Handbook  of 

Environmental Chemistry 5‐S1. Springer, Berlin (Germany), 2008.  

[10]  Santos,  J.L.;  Aparicio,  I.;  Callejón,  M.;  Alonso,  E.  “Occurrence  of 

pharmaceutically active compounds during 1‐year period  in wastewaters  from 

four wastewater treatment plants in Seville (Spain)”. J. Hazard. Mater. 164 (2009) 

Page 190: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

174 

 

1509‐1516. 

[11] Cao, J.; Luo, B. Lin, H.; Xu, B.; Chen, S. “Thermodecomposition synthesis of 

WO3/H2WO4  heterostructures  with  enhanced  visible  light  photocatalytic 

properties”. Appl. Catal. B Environ. 111‐112 (2012) 288‐296. 

[12]  Guery,  C.;  Choquet,  C.;  Dujeancourt,  F.;  Tarascon,  J.M.;  Lassegues,  J.C. 

“Infrared  and  X‐ray  studies  of  hydrogen  intercalation  in  different  tungsten 

trioxides  and  tungsten  trioxide  hydrates”.  J.  Solid  State Electrochem.  1  (1997) 

199‐207. 

[13]  Subramanian,  S.; Noh,  J.S.;  Schwarz,  J.A.  “Determination  of  the  point  of 

zero‐charge of composite oxides”. J. Catal. 114 (1988) 433‐439. 

[14]  Senthil,  K.;  Yong,  K.  “Growth  and  characterization  of  stoichiometric 

tungsten  oxide  nanorods  by  thermal  evaporation  and  subsequent  annealing”. 

Nanotechnology 18 (2007) 395604‐1‐395604‐7. 

[15] Pang, H.F.; Li, Z.J.; Xiang, X.; Fu, Y.Q.; Placido, F.; Zu, X.T. “Hierarchical 

structured tungsten oxide nanocrystals via hydrothermal route: microstructure, 

formation mechanism  and humidity  sensing”. Appl. Phys. A  112  (2013)  1033‐

1042. 

[16]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456. 

[17] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination 

of  residual  hydrogen  peroxide”. Water Management. Water  Sewage Works, 

August (1977) 69‐72. 

[18] Tilley, R.J.D. “The crystal chemistry of  the higher  tungsten oxides”.  Int.  J. 

Refractory Metals Hard Mater. 13 (1995) 93‐109. 

[19] Szilágyi,  I.M.; Fórizs, B.; Rosseler, O.; Szegedi, A.; Németh, P.; Király, P.; 

Tárkányi, G.; Vajna, B.; Varga‐Josepovits, K.; László, K.; Tóth, A.L.; Baranyai, P.; 

Leskelä, M.  “WO3  photocatalysts:  Influence  of  structure  and  composition”.  J. 

Catal. 294 (2012) 119‐127. 

[20] Tomova, D.;  Iliev, V.; Rakovsky, S.; Anachkov, M.; Eliyas, A.; Li Puma, G. 

“Photocatalytic oxidation of 2,4,6‐trinitrotoluene in the presence of ozone under 

irradiation with UV  and visible  light”.  J. Photochem. Photobiol. A Chem.  231 

(2012) 1‐8. 

[21] Kanan, S.M.; Lu, Z.; Cox,  J.K.; Bernhardt, G.; Tripp, C.P. “Identification of 

surface sites on monoclinic WO3 powders by infrared spectroscopy”. Langmuir 

Page 191: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

175 

 

18 (2002) 1707‐1712. 

[22] Sun, W.D.; Zhao, Z.B.; Guo, C.; Ye, X.K.; Wu, Y. ʺStudy of the alkylation of 

isobutene  with  n‐butene  over  WO3/ZrO2  srong  solid  acid.  1.  Effect  of  the 

preparation  method,  WO3  loading,  and  calcination  temperature”.  Ind.  Eng. 

Chem. Res. 39 (2000) 3717‐3725. 

[23] Lee, J.S.; Jang, I.H.; Park, N.G. “Effects of oxidation state and crystallinity of 

tungsten oxide interlayer on photovoltaic property in bulk hetero‐junction solar 

cell”. J. Phys. Chem. C 116 (2012) 13480‐13487. 

[24]  Azimirad,  R.; Naseri,  N.;  Akhavan,  O.; Moshfegh,  A.Z.  “Hydrophilicity 

variation of WO3 thin films with annealing temperature”. J. Phys. D Appl. Phys. 

40 (2007) 1134‐1137. 

[25] Beltrán, F.J.  “Ozone  reaction kinetics  for water  and wastewater  systemsʺ. 

Boca Raton, CRC Press, Florida (USA), 2004. 

[26]  Mena,  E.;  Rey,  A.;  Acedo,  B.;  Beltrán,  F.J.;  Malato,  S.  “On  ozone‐

photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced  reactions:  Oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  versus  heterogeneous  photocatalysis”. 

Chem. Eng. J. 204‐206 (2012) 131‐140. 

[27]  Rakowski,  S.;  Cherneva, D.  “Kinetics  and mechanism  of  the  reaction  of 

ozone with aliphatic alcohols”. Int. J. Chem. Kinetics 22 (1990) 321‐329. 

[28] Mvula, M.; Von Sonntag, C. “Ozonolysis of phenols  in aqueous solution”. 

Org. Biomol. Chem. 1 (2003) 1749‐1756. 

[29] Leitzke, A.; Von Sonntag, C. “Ozonolysis of unsaturated acids  in aqueous 

solution:  acrylic, methacrylic, maleic,  fumaric  and muconic  acids”. Ozone  Sci. 

Eng. 31 (2009) 301‐308. 

[30]  Johnson, P.N.; Davis, R.A. “Diffusivity of ozone  in water”.  J. Chem. Eng. 

Data 41 (1996) 1485‐1487. 

[31]  Froment, G.F.; Bishoff, K.B. Chemical Reactor Analysis  and Design.  John 

Willey & Sons. New York (USA), 1979. 

[32] Huber, M.M.; Gobel, A.;  Joss, A.; Hermann, N.; Loffler, D.; McArdell, C.; 

Ried,  A.;  Siegrist,  H.;  Ternes,  T.A.;  Von  Gunten,  U.  “Oxidation  of 

pharmaceuticals during ozonation of municipal wastewaters  effluents: A pilot 

study”. Environ. Sci. Technol. 39 (2005) 4290‐4299. 

[33] Buffle, M.;  von Gunten, U.  “Phenols  and  amine  induced HO∙  generation 

during  the  initial phase of natural water ozonation”. Environ. Sci. Technol. 40 

Page 192: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

176 

 

(2006) 3057‐3063.  

[34] Sein, M.M.; Zedda, M.; Tuerk, J.; Schmidt, T.C.; Golloch, A., Von Sonntag, C. 

“Oxidation of diclofenac with ozone in aqueous solution”. Environ. Sci. Technol. 

42 (2008) 6656‐6662. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 193: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

177 

 

SUPPLEMENTARY INFORMATION OF CHAPTER 4 

 

Figure 4.S1. High resolution XPS spectra of W4f spectral region for all the catalysts. 

40 39 38 37 36 35 34 33 32

W 4f5/2

37.6

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W450

-30 W 4f7/2

35.5

2.1 eV

40 39 38 37 36 35 34 33 32

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W450

-5

W 4f5/2

37.6

W 4f7/2

35.5

2.1 eV

40 39 38 37 36 35 34 33 32

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-5

W 4f5/2

37.5

W 4f7/2

35.4

2.1 eV

40 39 38 37 36 35 34 33 32

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-3

W 4f5/2

37.6

W 4f7/2

35.5

2.1 eV

40 39 38 37 36 35 34 33 32

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-1

W 4f5/2

37.4

W 4f7/2

35.3

2.1 eV

40 39 38 37 36 35 34 33 32

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W-0

W 4f5/2

37.4

W 4f7/2

35.2

2.2 eV

Page 194: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

178 

 

 

Figure 4.S2. High resolution XPS spectra of O1s spectral region for all the catalysts. 

 

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W450

-30 O 1s530.2

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W450

-5 O 1s530.2

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-5 O 1s530.2

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-3 O 1s530.2

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W300

-1

H2O

O 1s530.2

536 534 532 530 528 526

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W-0

H2O

O 1s530.2

Page 195: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

179 

 

 

Figure 4.S3. Optical band gap energy determination according to Tauc’s expression. 

 

 

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (

eV

)2

h(eV)

2.67 eV

W450

-30

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (

eV

)2

h (eV)

2.65 eV

W450

-5

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (

eV)2

h (eV)

2.65 eV

W300

-5

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (

eV)2

h (eV)

2.64 eV

W300

-3

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (eV

)2

h (eV)

2.43 eV

W300

-1

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.00

1

2

3

4

5

(h)

2 (eV

)2

h (eV)

2.42 eV

W-0

Page 196: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 4 (CHAPTER 4)   

180 

 

200 300 400 500 600

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7S

IGN

AL

(u.a

.)

W AVELENGTH (nm )  

Figure 4.S4. UV‐Vis spectrum of IBP. 

Table 4.S1. Rate constants of direct O3‐ECs reactions (pH = 7). 

EMERGING 

CONTAMINANT ABBREVIATION 

kO3 

(M‐1 s‐1) Reference 

Acetaminophen  AAP  4.1x106  [1S] 

Metoprolol  MTP  1.4x103  [2S] 

Caffeine  CAF  6.5x102  [3S] 

Hydrochlorothiazide  HCT  5.1x103  [4S] 

Antipyrine  ANT  2.5x104  [5S] 

Sulfamethoxazole  SFM  4.2x105  [6S] 

Carbamazepine  CAR  3.0x105  [7S] 

Ketorolac  KET  3.4x105  [5S] 

Diclofenac  DCF  6.8x105  [8S] 

Ibuprofen  IBP  9.1  [9S] 

 

 

 

Page 197: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 2: Influence of structural properties on the  

                                                                            activity of WO3 catalysts for visible light ozonation  

181 

 

References of Supplementary Information 

[1S]  Andreozzi,  R.;  Caprio,  V.;  Marotta,  R.;  Vogna,  D. 

“Paracetamol oxidation from  aqueous  solutions  by  means  of  ozonation  and 

H2O2/UV system”. Water Res. 37 (2003) 993‐1004. 

[2S] Benitez, F.J.; Acero, J.L.; Real, F.J.; Roldán, G. “Ozonation of pharmaceutical 

compounds:  Rate  constants  and  elimination  in  various  water  matrices”. 

Chemosphere 77 (2009) 53‐59. 

[3S] Broséus, R.; Vincent, S.; Aboulfadl, K.; Daneshvar, A.; Sauvé, S.; Barbeau, B.; 

Prévost, M.  “Ozone  oxidation  of  pharmaceuticals,  endocrine  disruptors  and 

pesticides during drinking water treatment”. Water Res. 43 (2009) 4707‐4717. 

[4S] Real, F.J.; Acero, J.L.; Benítez, F.J.; Roldán, G.; Fernández, L.C. “Oxidation of 

hydrochlorothiazide by UV radiation, hydroxyl radicals and ozone: Kinetics and 

elimination from water systems”. Chem. Eng. J. 160 (2010) 72‐78. 

[5S] Rivas, F.J.; Sagasti, J.; Encinas, A.; Gimeno, O. “Contaminants abatement by 

ozone  in  secondary  effluents.  Evaluation  of  second‐order  rate  constants”.  J. 

Chem. Technol. Biotechnol. 86 (2011) 1058‐1066. 

[6S] Beltrán, F.J.; Aguinaco, A.; García‐Araya,  J.F. “Mechanism and kinetics of 

sulfamethoxazole photocatalytic ozonation in water”. Water Res. 43 (2009) 1359‐

1369. 

[7S]  Huber,  M.M.;  Canonica,  S.;  Park,  G.Y.;  Von  Gunten,  U.  “Oxidation  of 

pharmaceuticals during ozonation and advanced oxidation processes”. Environ. 

Sci. Technol. 37 (2003) 1016‐1024. 

[8S] Sein, M.M.; Zedda, M.; Tuerk, J.; Schmidt, T.C.; Golloch, A.; von Sonntag, C. 

“Oxidation of diclofenac with ozone in aqueous solution”. Environ. Sci. Technol. 

42 (2008) 6656‐6662. 

[9S] Huber, M.M.; Gobel, A.;  Joss, A.; Hermann, N.; Loffler, D.; McArdell, C.; 

Ried,  A.;  Siegrist,  H.;  Ternes,  T.A.;  Von  Gunten,  U.  “Oxidation  of 

pharmaceuticals during  ozonation  of municipal wastewater  effluents:  A pilot 

study”. Environ. Sci. Technol. 39 (2005) 4290‐4299. 

 

Page 198: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 199: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5) PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation of DEET in the presence of different forms of WO3

E. Mena, A. Rey, S. Contreras, F.J. Beltrán

Catalysis Today 252 (2015) 100-106

ABSTRACT. This work deals with the use of WO3 materials for the removal of DEET, an

emerging contaminant, through photocatalytic ozonation using visible light as radiation

source. A commercial WO3 and own-made WO3 catalysts with different forms and

crystalline structure were synthetized by sol-gel and hydrothermal methods. After catalyst characterization with different techniques, photocatalytic ozonation under visible light radiation was found an efficient process to remove DEET. Monoclinic and/or

orthorhombic structure of WO3 seems to favor the catalytic activity more than a

developed surface area together with the presence of W reduced states in the presence of ozone. The best catalysts lead to a complete removal of DEET in less than 20 min with mineralization up to 70 % in 2 h.

Keywords: Photocatalytic ozonation, tungsten trioxide, DEET, ozone, visible light.

Page 200: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 201: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

185 

 

5.1. INTRODUCTION 

N,N‐diethyl‐meta‐toluamide  (DEET)  has  been  widely  used  as  the  active 

compound  in  insect  repellents  for protection  against  insect  bites  at  4  ‐  100 % 

concentration  in  several  formulations  (lotions,  gels,  aerosols  and  sticks)  [1]. 

Thus, DEET contamination has been detected in groundwater, rivers, seawater, 

wastewater  treatment  plants  effluents  and  even  in  drinking water  treated  by 

conventional systems. This highlights its persistence and degree of recalcitrance 

to conventional treatments [2,3]. Toxic effects of DEET to aquatic organisms are 

relatively  low (e.g. LC50  is  in the range 75  ‐ 230 mg L‐1 for Daphnia magna and 

Gambusia  affinis)  [3].  However,  it  has  been  reported  to  have  potential 

carcinogenic  properties  in  human  nasal  mucosal  cells  [4],  and  additional 

research is necessary to examine its fate, transport and ecotoxicity. 

Different  technologies  have  been  applied  for  DEET  removal  such  as 

ozonation  [4];  chlorination and bromination  [5]; or AOPs  (advanced oxidation 

processes)  such  as heterogeneous photocatalysis with TiO2  [1,3,6]; Fenton  and 

photo‐Fenton  [6,7];  UV/H2O2,  O3/H2O2  and  UV/O3/H2O2  [7].  The  best 

performance was obtained using photocatalytic treatments or O3/H2O2 with and 

without UVC radiation. 

Photocatalytic  ozonation,  i.e.  the  combination  of  ozone  and  heterogeneous 

photocatalysis, has proved to be an efficient AOP improving the efficiency of the 

single processes [8,9], and has been also successfully applied for DEET removal 

using TiO2 as photocatalyst and UVC as radiation source [6]. However, the use 

of UV lamps makes the process expensive for commercial applications so as the 

use  of  solar  light  is  a  need  for  the  practical  deployment  of  photocatalytic 

technologies. Also, TiO2 presents some limitations since it only uses around 5 % 

of solar radiation (UV range) in spite of being the archetypical photocatalyst due 

to its relatively high efficiency, low cost and availability [10]. 

As an attractive alternative  to TiO2  for  the photocatalytic ozonation process 

Page 202: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

186 

 

under  solar  radiation,  WO3  is  a  visible‐light‐responsive  semiconductor  of 

relatively low cost, with no toxicity and availability, which has demonstrated its 

catalytic activity  in  the degradation and mineralization of phenol  through  this 

process  [11]. Up  to  now,  only monoclinic WO3  has  been  used  as  catalyst  in 

photocatalytic  ozonation.  Thus,  this work  is  focused  on  the  use  of  different 

forms of WO3 as photocatalysts for the photocatalytic ozonation of DEET using 

visible light radiation.  

5.2. EXPERIMENTAL SECTION 

5.2.1. Catalysts preparation 

Ten different catalysts were tested, a WO3 commercial catalyst and nine own‐

made WO3  catalysts  prepared  by  sol‐gel  and  hydrothermal methods.  Sol‐gel 

procedure was used to prepare WO3 microspheres as described elsewhere [12]. 

The method  is based  in  the preparation of a CaWO4 precursor with CaCl2 and 

Na2WO4  in  the  presence  of  citric  acid  at  pH  =  12.  Once  the  precursor  was 

obtained,  it was collected by centrifugation, washed with ultrapure water and 

ethanol, and dried  in air. Then, this precursor was soaked  in HNO3 for 24 h at 

room  temperature  followed by  calcination  at  500,  600 or  700  °C  for  2 h. WO3 

flocky‐microspheres  were  prepared  by  hydrothermal  synthesis  following  a 

modified procedure described elsewhere [13]. Typically, Na2WO4 was dissolved 

in ultrapure water and acidified (pH = 1 ‐ 1.2) with HCl solution. After stirring 

for 240 min, the system was mixed with ethanol 40 % (v/v) and then transferred 

to a 125 mL autoclave heated at 120 °C  for 48 h. Finally,  the precipitates were 

separated by centrifugation, washed with water and ethanol, and dried at 100 °C 

for 2 h. Then this sample was calcined at 500, 600 or 700 °C for 2 h. Finally, all 

fractions  were  treated  at  the  reaction  conditions  (0.25  g  L‐1  catalysts,  0.5  L 

ultrapure water, 10 mg L‐1 O3 with 15 L h‐1  flow  rate under visible  radiation). 

Catalysts nomenclature and synthesis conditions are summarized in Table 5.1. 

Page 203: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation of DEET in the presence of different forms of WO3

187

Tabl

e 5.

1. P

rope

rtie

s of

WO

3 cat

alys

ts.

CA

TALY

ST

Synt

hesi

s W

O3

crys

talli

ne

phas

e L

(nm

) (I

808/I

716)R

AM

AN

SB

ET

(m2 g

-1)

Na/

WXP

S

(at/a

t) C

a/W

XPS

(at/a

t) C

/WXP

S

(at/a

t)

W-c

C

omm

erci

al

Mon

oclin

ic

28.2

7 1.

97

9.8

---

---

0.42

W1-

500

Sol-g

el

T =

500

°C

Ort

horh

ombi

c 21

.99

2.19

9.

0 0.

16

0.39

0.

36

W1-

600

Sol-g

el

T =

600

°C

Mon

oclin

ic

20.8

2 1.

98

8.1

0.10

0.

42

0.27

W1-

700

Sol-g

el

T =

700

°C

Mon

oclin

ic

32.9

8 1.

96

5.3

0.08

0.

35

0.35

W2

Hyd

roth

erm

al

Hex

agon

al

13.1

6 ---

82

.0

0.38

---

0.

12

W2-

t H

ydro

ther

mal

Tr

eate

d (O

3+hν

) H

exag

onal

10

.99

---

93.7

0.

22

---

0.06

W2-

500-

t H

ydro

ther

mal

T

= 50

0 °C

Tr

eate

d (O

3+hν

) M

onoc

linic

28

.27

2.01

8.

2 0.

17

---

0.10

W2-

600

Hyd

roth

erm

al

T =

600

°C

Mon

oclin

ic

35.9

6 1.

99

5.8

0.34

---

0.

15

W2-

600-

t H

ydro

ther

mal

T

= 60

0 °C

Tr

eate

d (O

3+hν

) M

onoc

linic

35

.96

1.98

9.

6 0.

13

---

0.09

W2-

700-

t H

ydro

ther

mal

T

= 70

0 °C

Tr

eate

d (O

3+hν

) M

onoc

linic

32

.97

1.95

9.

4 0.

21

---

0.06

Page 204: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

188 

 

5.2.2. Characterization 

X‐ray diffraction  (XRD) patterns were  recorded using a powder Bruker D8 

Advance XRD diffractometer with a Cu Kα radiation (λ = 0.1541 nm). The data 

were collected from 2θ = 10° ‐ 70° at a scan rate of 0.02 s−1. Raman spectra were 

obtained  using  a  Nicolet  Almega  XR  Dispersive  micro‐Raman  (Thermo 

Scientific) with a spectral resolution of 2 cm‐1. The samples were excited with a 

633  nm  laser.  BET  surface  area  was  determined  from  nitrogen  adsorption‐

desorption  isotherms  obtained  at  ‐196  °C  using  an  Autosorb  1  apparatus 

(Quantachrome).  The  samples were  outgassed  at  250  °C  for  12  h  under  high 

vacuum (< 10−4 Pa). A Hitachi S‐48000 scanning electron microscope with 20 ‐ 30 

kV  accelerating  voltage  and  500  ‐  2000 magnification was  used  to  study  the 

morphology of  the  samples. X‐ray photoelectron  spectra  (XPS) were  obtained 

with a Kα Thermo Scientific apparatus with an Al Kα  (h = 1486.68 eV) X‐ray 

source using a voltage of 12 kV under vacuum (2x10−7 mbar). Binding energies 

were calibrated relative to the C1s peak at 284.6 eV. 

5.2.3. Catalytic activity measurements 

DEET  was  used  as  target  compound  to  test  the  catalytic  activity  of  the 

photocatalysts. The chemical structure and UV‐Vis spectrum of DEET are shown 

in  Figure  5.S1  of  the  supplementary  information.  Photocatalytic  experiments 

were  carried  out  in  semi‐batch mode  in  a  0.5 L  glass‐made  spherical  reactor, 

provided with a gas  inlet, a gas outlet and a  liquid sampling port. The reactor 

was placed in a solar simulator (Suntest CPS, Atlas) provided with a 1500 W Xe 

lamp with emission restricted to visible light (λ > 390 nm) using different cut‐off 

filters.  The  irradiation  intensity was  550 W m−2,  incident  photon  flux  in  the 

reactor  was  3.51x10‐4  einstein  min‐1  (actinometrical  measurements),  and  the 

temperature maintained  between  20  ‐  40  °C.  If  required,  an  ozone  generator 

(Anseros Ozomat Com AD‐02) was used  to produce  a gaseous ozone‐oxygen 

stream that was fed to the reactor. 

 

Page 205: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

189 

 

In a typical photocatalytic ozonation experiment, the reactor was loaded with 

0.5 L of an aqueous solution containing 5 mg L‐1 of DEET (pH0 = 6). Then, 0.125 g 

of  catalyst were  added  and  the  suspension was  stirred  in  the darkness  for  30 

min. After  that,  the  lamp was switched on and a mixture of ozone‐oxygen  (10 

mg L‐1  ozone  concentration) was  fed  to  the  reactor  at  15 L h−1  flow  rate. The 

irradiation time for each experiment was 2 h. Samples were withdrawn from the 

reactor and filtered through a 0.2 μm PET membrane except for dissolved ozone 

analysis.  Experiments  of  adsorption,  photolysis,  photocatalytic  oxidation, 

ozonation and catalytic ozonation were also carried out for comparative reasons. 

DEET concentration was analyzed by HPLC‐DAD  (Hitachi, Elite LaChrom) 

using a Phenomenex C‐18 column (5 μm, 150 mm long, 3 mm diameter) and 0.6 

mL min−1 of acetonitrile‐acidified water (0.1 % formic acid) as mobile phase (30 ‐ 

70 v/v,  isocratic).  Identification  and quantification was  carried out  at  220 nm. 

Total  organic  carbon  (TOC)  was  measured  using  a  Shimadzu  TOC‐VSCH 

analyzer. Aqueous ozone was photometrically determined by the indigo method 

at 600 nm [14]. Hydrogen peroxide concentration was analyzed photometrically 

by  the  cobalt/bicarbonate method,  at  260  nm  [15]. Photometric  analyses were 

performed  in  a UV‐Vis  spectrophotometer  Evolution  201  (Thermospectronic). 

Ozone  in  the gas phase was  continuously monitored by means of an Anseros 

Ozomat GM‐6000Pro analyzer. Short‐chain organic acids were analyzed by  ion 

chromatography with chemical suppression (Metrohm 881 Compact Pro) with a 

conductivity detector using a MetroSep A sup 5 column  (250 mm  long, 4 mm 

diameter) at 45 °C and 0.7 mL min‐1 of Na2CO3 from 0.6 ‐ 14.6 mM in 50 min (10 

min post‐time for equilibration) as mobile phase. 

5.3. RESULTS AND DISCUSSION 

5.3.1. Photocatalysts characterization 

Figure  5.1(A)  shows  the  XRD  patterns  of  the WO3  photocatalysts. All  the 

diffraction  peaks  of  commercial WO3, W‐c,  are  indexed  to monoclinic  phase. 

Page 206: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

190 

 

W1‐500  catalyst presented mainly WO3 orthorhombic  structure but  this phase 

was  transformed  to monoclinic  at  calcination  temperatures of  600  and  700  °C 

(W1‐600 and W1‐700). Monoclinic  and orthorhombic phases differ only  in  the 

extent of the W atoms displacement and can transform reversibly into each other 

[16].  Also,  the  two  peaks  located  at  18.5°  and  28.7°  are  indicative  of  the 

tetragonal  phase  of  CaWO4  [12].  On  the  other  hand,  W2  synthetized  by 

hydrothermal  treatment  was  crystalized  as  hexagonal  WO3  structure.  After 

being washed at the reaction conditions, no modifications were observed in the 

XRD  patterns  of  non‐calcined  samples  (Figure  5.S2).  However,  calcination 

produced the transformation into monoclinic WO3 as can be observed in Figure 

5.1 for treated samples. In addition, Na phases as Na2W4O13 are detected in these 

calcined  catalysts  with  main  diffraction  peaks  at  10.8°,  21.8°  and  32.9°  [17], 

indicating an unsatisfactory washing procedure. After being treated at reaction 

conditions, the relative intensity of these peaks significantly decreased as can be 

noticed  in  Fig.  5.S2  for  W2‐600.  The  crystal  size  of  the  WO3  phases  was 

determined by  the Scherrer’s equation  (Table 5.1).  In general, a growing  in  the 

crystal  size  is  observed  as  the  calcination  temperature  increased  for  catalysts 

with the same structure. In addition, no significant changes were observed due 

to the washing procedure in W2 catalysts. 

Raman  spectra  depicted  in  Fig.  5.1(B)  and  Figure  5.S3  (untreated  W2 

samples)  confirmed  the  XRD  results.  The  bands  located  at  808  and  716  cm‐1 

correspond  to O‐W‐O  stretching vibrations whereas  the peaks  at  328  and  270   

cm‐1 were  identified  as O‐W‐O deformation vibrations  [16,18].  Since  the main 

bands of monoclinic and orthorhombic structures are similar, the intensity ratio 

of  the  main  Raman  peaks  allows  to  distinguish  them  being  around  2.2  for 

orthorhombic WO3 and 1.97 for monoclinic [18]. The intensity ratio of the peaks 

located  at  808  and  716  cm‐1  is  presented  in  Table  5.1  confirming  the 

orthorhombic  structure  of  W1‐500  catalyst  and  its  transformation  into 

monoclinic WO3  at  higher  calcination  temperatures. W2  and W2‐t  catalysts 

Page 207: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

191 

 

presented  a wide multiple  band with  a maximum  at  799  cm‐1 which  can  be 

composed by the main bands of hexagonal O‐W‐O stretching vibrations at 789, 

693  and  651  cm‐1  [16].  The  calcination  of  this  catalyst  gave  place  to  the 

transformation of hexagonal WO3  into monoclinic phase according to the main 

characteristic bands  and  their  intensity  ratio  shown  in Table  5.1  (W2  calcined 

samples).  Finally,  the washing  procedure  of  the  treated W2  samples  did  not 

produce any significant modification in the WO3 structure (Fig. 5.S3). 

 

 

Figure 5.1. Structural characterization of WO3 catalysts. (A) XRD patterns (M: Monoclinic 

WO3, O: Orthorhombic WO3, H: Hexagonal WO3, C: CaWO4, N: Na2W4O13).  (B) Raman 

spectra. 

 

(A) (B)

200 300 400 500 600 700 800 900

W2-700-t

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

RAMAN SHIFT (cm-1)

W2-t

W2-500-t

W2-600-t

710

799

803

805

808

717273328

W-c

W1-500

W1-600

W1-700

807

716

712

330275

269 324

10 20 30 40 50 60 70

W2-700-t

W2-500-t

W1-700

W1-600

W2-600-t

W2-t

W1-500

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

2

W-c

M

M M

M

M M M

C C O

H H H

H H H

N N N

Page 208: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

192 

 

The  morphology  of  the  samples  was  evaluated  by  SEM  (Figure  5.2). 

Commercial WO3 presented an irregular morphology whereas the formation of 

spherical particles was confirmed  in sol‐gel synthetized catalyst W1‐500 with a 

heterogeneous distribution in the range 1 ‐ 5 μm. An increase in the calcination 

temperature  led  to  the  progressive  distortion‐breakup  of  the microspheres  as 

confirmed for W1‐600 and W1‐700 in Fig. 5.2(C) and Fig. 5.2(D), respectively. On 

the  other  hand,  hydrothermal  synthetized  catalyst presented mainly  irregular 

morphology  with  some  isolated  spherical  particles  (Fig.  5.2(E)).  An  image 

magnification  in  Fig.  5.2(F)  revealed  a  dense  packing  of  small WO3  needles 

formed  on  the  surface  of WO3  particles  [13]. Calcination  of  this  sample  gave 

place  to  a  more  irregular  morphology  with  an  enlargement  of  the  needles 

transforming them into small WO3 particles (Fig. 5.2(G) and Fig. 5.2(H)). Finally, 

the washing  treatment did  not  apparently  change  the morphology  of  the W2 

type samples. 

Specific  surface areas  (SBET) were calculated  from N2 adsorption‐desorption 

isotherms and are summarized  in Table 5.1. The W1 series presented  low SBET 

values  that decreased with  the  increasing  calcination  temperature. For  similar 

crystalline structures  this  is  in agreement with  the growing of  the crystal size. 

These values are quite similar to that of commercial W‐c. On the other hand, the 

hydrothermal treatment gave place to catalysts with higher SBET (82.0 m2 g‐1) due 

to  the  morphology  and  the  lower  crystal  size  of  W2  samples.  However, 

calcination provoked not only a crystalline phase transformation but also a very 

sharp  decrease  of  the  SBET.  In  addition,  it  can  be  noticed  that  the  washing 

procedure  in W2 samples  led  to an  increase of  the SBET  to some extent. Taking 

into account that the crystal size is not modified, this effect can be related to the 

elimination of some impurities blocking the surface of the samples. 

 

 

Page 209: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

193 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.2. SEM images of WO3 catalysts. 

 

5 um

W-c W1-500

W1-600 W1-700

W2-600 W2-600-t

W2

(A)

(H)(G)

(F)(E)

(D)

(C)

(B)

W2

Page 210: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

194 

 

Surface chemical composition and oxidation state of W in the catalysts were 

analyzed  by XPS.  The  full  spectra  of  the  catalysts  (not  shown)  presented  the 

main contributions of W4f and O1s. The presence of Na1s was detected in all the 

synthetized catalysts and Ca2p  in W1 series.  In addition C1s contribution was 

detected  in  all  samples. The  atomic  surface  ratios  of Na, Ca  and C  to W  are 

summarized in Table 5.1. For the W1 series, similar values of Ca/W and C/W are 

obtained whereas Na/W was lower for the W1‐700 catalyst. These contributions 

are due to the precursors used during the synthesis. The most noticeable results 

of W2 series are related  to  the amount of Na  in  the catalyst surface. This ratio 

highly  decreased when  the  catalyst was  submitted  to  the washing  procedure 

thus indicating that some Na species were released to water. These results are in 

agreement  to  XRD  patterns  of  treated  samples.  It  can  be  also  observed  a 

decrease on the surface carbon content after the treatment in all the W2 samples. 

On  the  other hand, W4f high  resolution  spectral  region  for W‐c, W1  and W2 

series  are  depicted  in  Figure  5.3.  For  commercial  W‐c  and  W2  series,  two 

different peaks corresponding  to W4f7/2 and W4f5/2 appear at 35.9 and 38.0 eV, 

respectively, which  are  characteristic of W6+  [16,19]. No  significant differences 

were  found  in  W2  and  W2  treated  catalysts  (Figure  5.S4).  However,  the 

broadening of these peaks together with their shift to lower binding energies are 

indicative of the presence of reduced W5+ to some extent in W1 catalysts [16,19]. 

This effect  is more pronounced  in  the W1‐700  catalyst as observed  in Fig. 5.3. 

The  partial  reduced  state  of W1  catalysts  could  be  related  to  the  presence  of 

citric  acid  from  the  synthesis  procedure  that was  not  completely  eliminated 

during the washing step, thus acting as a reducing agent. The presence of W5+ in 

W1  catalysts  could  introduce  some  differences  in  the  electron  transport  and 

charge recombination during photocatalytic processes. 

 

 

 

Page 211: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

195 

 

41 40 39 38 37 36 35 34 33 32

W2-700-t

W2-600-t

W2-500-t

W2-t

W1-700

W1-600

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W-c

W1-500

38.0 35.9

37.635.4

37.2 35.3

W 4f

Figure 5.3. High resolution XPS spectra of W4f spectral region of WO3 catalysts. 

5.3.2. Catalytic activity 

The effectiveness of the catalysts in the photocatalytic ozonation process was 

tested using DEET under visible  light  radiation. First,  the performance of  this 

combined process respect to the single treatments has been checked with all the 

catalysts. Results for W‐c catalyst are shown in Figure 5.4. In general, the same 

behavior was observed for all the synthetized catalysts. Results for W1‐600 and 

W2‐600‐t as an example can be found in the supplementary information (Figures 

Page 212: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

196 

 

5.S5‐5.S8).  Fig.  5.4(A)  shows  the  time  evolution  of  DEET  dimensionless 

concentration upon the different treatments applied. Adsorption and photolysis 

showed negligible effect on DEET concentration (lower than 5 % removal). The 

absence of DEET depletion due to direct photolysis is consistent with the UV‐Vis 

absorption spectrum of this compound (Fig. 5.S1). Photocatalytic oxidation gave 

place  to  a  slow  degradation  of  DEET,  reaching  22  %  depletion  after  2  h. 

Although WO3  is  a  visible  light  responsive  semiconductor,  in  photocatalytic 

oxidation it presents a low efficiency as a consequence of the high recombination 

rate in the presence of oxygen, an unsuitable oxidant for WO3. This drawback is 

overcome  in  the  presence  of  O3  which  can  easily  react  with  photoexcited 

electrons in the conduction band of WO3 [11]. All the ozone treatments showed 

the highest degradation  rate of DEET. On  the one hand,  single ozonation and 

catalytic ozonation gave place to similar DEET evolution thus indicating that in 

dark conditions W‐c did not present any catalytic effect in ozone decomposition 

into  more  reactive  species.  On  the  other  hand,  DEET  degradation  rate  was 

highly  increased  during  photocatalytic  ozonation  reaching  more  than  99  % 

removal  in  less  than  20 min  compared  to  60 min  necessary  for  the  other O3 

treatments. In general, pH0 = 6 evolved to pH ~ 4 during the reaction time in all 

the  treatments  (except  for  direct  photolysis),  so  that  in  ozone  systems,  it  is 

expected a negligible contribution of indirect reactions due to O3 decomposition 

at these pH values [20]. 

On the other hand, it is known that the oxidation of DEET proceeds through 

different  steps  giving  place  to  intermediate  compounds which  are  eventually 

transformed  into  CO2  and  H2O  (complete  mineralization)  [4].  DEET 

mineralization  has  been  followed  as  normalized  TOC  concentration  in  Fig. 

5.4(B).  Adsorption,  direct  photolysis  and  photocatalytic  oxidation  led  to 

negligible TOC  removal according  to previous DEET evolution. Regarding  the 

O3‐treatments, single ozonation led to only 19 % mineralization at 120 min, as a 

consequence  of  the  formation  of  some  intermediate  compounds  that  are 

refractory  to  ozone  direct  reaction  (mainly  short‐chain  organic  acids)  [20]. 

Page 213: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

197 

 

Oxalic, formic and acetic acids were detected at concentrations of 2.1, 0.6 and 2.7 

mg  L‐1,  respectively,  at  the  end  of  the  reaction.  The  presence  of  the  catalyst 

combined with ozone  in dark conditions did not  improve  the previous  results 

confirming  the  absence  of  any positive  catalytic  effect  in  the  reaction. On  the 

contrary,  photocatalytic  ozonation  showed  the  highest  mineralization  rate, 

leading to 60 % mineralization in 120 min reaction time. These results also point 

out  the  synergism  produced  between  ozone  and  visible  light  irradiated WO3 

since final TOC removal of the combined process is much higher than the sum 

of  these  values  for  the  individual  processes  (60 %  in O3/WO3/Vis  vs.  4 %  in 

O2/WO3/Vis  and  19 %  in O3),  also  confirming  the  ability  of O3  to  capture  the 

electrons on the WO3 surface compared to O2 [11], and the formation of higher 

concentration of oxidizing species such as  •HO  radicals as occurred in TiO2 [8,9]. 

Dissolved  ozone  (Fig.  5.4(C))  and  hydrogen  peroxide  concentration  (Fig. 

5.4(D)) during the treatments confirmed these results. H2O2 is commonly formed 

through direct ozone  reactions  [21], and was experimentally confirmed  in  this 

work  for DEET.  The  profiles  obtained  for  dissolved O3  and H2O2  during  the 

photocatalytic  ozonation  showed  a  faster  decomposition  of  both  compounds 

with  respect  to  ozonation  and  catalytic  ozonation.  This  is  indicative  of  their 

consumption  on  the  irradiated WO3  surface  through  photocatalytic  reactions, 

probably  acting  as  electron  acceptors  and  thus  enhancing  the  production  of 

oxidizing species as also occurs  in TiO2 [8]. The mechanism and kinetics of the 

reaction will be the subject of further work. 

 

 

 

 

Page 214: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

198 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.4. (A

) DEET dim

ensionless concentration, (B) TOC dim

ensionless concentration, (C) dissolved 

O3 concentration and (D) H

2O2 concentration evolution during all the treatm

ents applied w

ith W‐c 

catalyst. E

xperim

ental conditions: pH

0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, C

DEET,0 = 5 m

g L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, C

O3ginlet = 10 

mg L‐1, Q

g = 15 L h‐1 (O

2 or O

3/O

2). 

 

(A)

(B)

(C)

(D)

-20

020

40

6080

100

120

0.0

1.0x

10-5

2.0x

10-5

3.0x

10-5

CO3 (M)

Dar

k

TIM

E (

min

)

-20

02

040

6080

100

120

CH2O2 (M)

Dar

k

TIM

E (

min

)

0.0

1.0x

10-5

2.0x

10-5

3.0x

10-5

4.0x

10-5

TOC/TOC0

Dar

k

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dar

k

Ad

sorp

tion

Pho

toly

sis

Pho

toca

taly

tic o

xid

atio

n O

zon

atio

n C

ata

lytic

ozo

nat

ion

Pho

toca

taly

tic o

zona

tion

CDEET/CDEET,0

CTOC/CTOC,0

Page 215: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

199 

 

The comparison of the activity and efficiency of the different catalysts during 

photocatalytic  ozonation  is  depicted  in  Figure  5.5.  For  the  W2  series,  only 

treated  catalysts  have  been  selected  for  this  study  since  the  catalysts  tested 

before washing presented a poor activity as can be observed in Figure 5.S9 of the 

supplementary material. This could be due to a negative effect of the precursors 

that still remained in the catalysts surface and were reduced after the treatment 

(Na and C according to XRD and XPS results). 

Regarding the evolution of DEET in Fig. 5.5(A) all the catalysts gave place to 

higher DEET depletion rate compared with single ozonation. The highest DEET 

degradation  rate was  observed  for W1‐600  and W1‐700  catalysts,  reaching  a 

complete removal in 10 min.  

Main  differences  in  the  activity  of  the  catalysts  were  found  in  terms  of 

mineralization  as  shown  in  Fig.  5.5(B). All  the  catalysts  gave  place  to  higher 

mineralization degree than ozone alone. Commercial W‐c catalyst led to a 60 % 

mineralization  at  120  min  reaction  time  similarly  to  W1‐500,  showing  an 

intermediate  activity  compared  to  the  synthetized  catalysts.  Both  catalysts 

presented similar textural properties but different crystalline structure although 

orthorhombic WO3  is a distortion of  the monoclinic structure, being both very 

similar  [16,22].  On  the  other  hand,  W1‐600  and  W1‐700  catalysts,  with 

monoclinic  structure, were  the most  active  ones  but TOC profiles   were very 

different. W1‐600 catalyst led to a progressive mineralization reaching a 70 % in 

2 h. On the contrary, with W1‐700 catalyst, it can be noticed a first step in which 

mineralization is slow up to 45 min and, after this time, the mineralization rate 

increased also achieving around 70 % at 120 min. This behavior can be due  to 

the most reduced state of W1‐700 catalyst. The highest catalytic activity could be 

related  to  the presence of reduced W5+ states according  to XPS results  that can 

favor the electron transport in the WO3 structure [19]. These results are contrary 

to  those previously  found  for photocatalytic oxidation where a more oxidized 

material had a higher catalytic activity  in  the presence of oxygen and reported 

that  W5+/W4+  states  could  act  as  recombination  centers  [16].  However,  the 

Page 216: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

200 

 

presence of O3 could take the advantage of avoiding the recombination to some 

extent  and  thus  benefits  from  the  higher  electron  mobility.  For  W2  series, 

mineralization rate of W2‐t catalyst was noticeably slower regardless of its high 

SBET,  indicating  that  the  hexagonal  structure  of  this  catalyst  could  not  be 

appropriated for the process. This  is evidenced by the performance of calcined 

catalysts  (with monoclinic  structure  and  very  low  SBET)  similar  or  even  better 

than  that of hexagonal W2‐t.  It  can be noticed  the highest  catalytic activity of 

W2‐600‐t catalyst in terms of mineralization compared to W2‐500‐t and W2‐700‐t 

catalysts whose main difference is the higher crystal size of monoclinic phase in 

W2‐600‐t.  

Finally,  the  best  performance  of  the  W1  series  can  be  observed  in  the 

evolution  of  short‐chain  organic  acids  formed  during  the  process.  Fig.  5.5(C) 

represents the sum of the concentrations of main organic acids detected (oxalic, 

acetic and formic) in terms of mg C L‐1. The degradation of these intermediates 

is only observed for W1 series catalyst.  

 

 

 

 

 

Page 217: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

201 

 

-20 0 20 40 600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 W-c W1-500 W1-600 W1-700 W2-t W2-500-t W2-600-t W2-700-tDark

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.5.  (A) DEET dimesionless concentration,  (B) TOC dimensionless concentration 

and (C) sum of the TOC corresponding to short‐chain organic acids (ΣCTOC,a) evolution 

during photocatalytic ozonation with  the best WO3  catalysts  (dotted  lines  show  single 

ozonation  results). Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20  ‐ 40  °C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, 

CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O3/O2). 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

(A)

(B)

0 20 40 60 80 100 1200.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

CT

OC

,a (

mg

L-1)

TIME (min)

(C)

Page 218: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

202 

 

5.4. CONCLUSIONS 

WO3  catalysts were  synthetized with  different morphology  (spherical  and 

irregular) and structure (orthorhombic, monoclinic and hexagonal) through sol‐

gel  and  hydrothermal procedures. An  increase  in  the  calcination  temperature 

produced  the  transformation  of  orthorhombic  or  hexagonal  into  monoclinic 

structure  leading to higher crystal sizes and a  less developed surface area. The 

presence of citric acid in the sol‐gel synthetized catalysts led to the presence of 

W reduced states to some extent. The catalysts were active in the photocatalytic 

ozonation  of  DEET with  visible  light  radiation.  A  synergistic  effect  between 

ozone  and  visible  light  irradiated  WO3  was  produced  leading  to  a  higher 

efficiency in the combined process. Monoclinic and/or orthorhombic structure of 

WO3  favored  the  catalytic  activity with  respect  to  hexagonal  structure, more 

than the developed surface area. Also the presence of W reduced states seems to 

be beneficial  for  the process  in  the presence of ozone. The best  catalysts gave 

place to a complete removal of DEET in less than 20 min with mineralization up 

to 70 % in 2 h. 

AKNOWLEDGEMENTS 

Authors thank the Spanish MINECO and European Feder Funds (CTQ2012‐

35789‐C02‐01) for economic support. E. Mena thanks the Consejería de Empleo, 

Empresa  e  Innovación  (Gobierno de Extremadura)  and European Social Fund 

for her predoctoral FPI grant (Ref. PD12059). 

REFERENCES 

[1]  Antonopoulou,  M.;  Giannakas,  A.;  Deligiannakis,  Y.;  Konstantinou,  I. 

“Kinetic and mechanistic investigation of photocatalytic degradation of the N,N‐

diethyl‐m‐toluamide”. Chem. Eng. J. 231 (2013) 314‐325. 

[2] Costanzo, S.D.; Watkinson, A.J.; Murby, E.J.; Kolpin, D.W.; Sandstrom, M.W.  

“Is  there  a  risk  associated  with  the  insect  repellent  DEET  (N,N‐diethyl‐m‐

toluamide) commonly found in aquatic environments?”. Sci. Total Environ. 384 

(2007) 214‐220. 

Page 219: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

203 

 

[3]  Adams,  W.A.;  Impellitteri,  C.A.  “The  photocatalysis  of N,N‐diethyl‐m‐

toluamide  (DEET)  using  dispersions  of  Degussa  P‐25  TiO2 particles”.  J. 

Photochem. Photobiol. A Chem. 202 (2009) 28‐32. 

[4] Benítez, F.J.; Acero, J.L.; García‐Reyes, J.F.; Real, F.J.; Roldán, G.; Rodríguez, 

E.;  Molina‐Díaz,  A.  “Determination  of  the  reaction  rate  constants  and 

decomposition mechanisms of ozone with  two model emerging contaminants; 

DEET and Nortriptyline”. Ind. Eng. Chem. Res. 52 (2013) 17054‐17073. 

[5] Acero,  J.L.; Benítez, F.J.; Real, F.J.; Roldán, G.; Rodríguez, E. “Chlorination 

and bromination kinetics of emerging contaminants in aqueous systems”. Chem. 

Eng. J. 219 (2013) 43‐50. 

[6]  Benítez,  F.J.;  Acero,  J.L.;  Real,  F.J.;  Roldán,  G.;  Rodríguez,  E.  “The 

effectiveness  of  single  oxidants  and  AOPs  in  the  degradation  of  emerging 

contaminants  in waters: A comparison study”. Ozone Sci. Eng. 35  (2013), 263‐

272. 

[7] Li, W.; Nanaboina, V.; Zhou, Q.; Korshin, G.V. “Effects of Fenton treatment 

on  the  properties  of  effluent  organic matter  and  their  relationships with  the 

degradation  of  pharmaceuticals  and  personal  care  products”. Water  Res.  46 

(2012) 403‐412. 

[8]  Mena,  E.;  Rey,  A.;  Acedo,  B.;  Beltrán,  F.J.;  Malato,  S.  “On  ozone‐

photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced  reactions:  Oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  versus  heterogeneous  photocatalysis”. 

Chem. Eng. J. 204‐206 (2012) 131‐140. 

[9] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K.  “A  review  of  synergistic  effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[10]  Hernández‐Alonso,  M.D.,  Fresno,  F.,  Suárez,  S.,  Coronado,  J.M. 

“Development  of  alternative  photocatalysts  to  TiO2:  Challenges  and 

opportunities”. Energ. Environ. Sci. 2 (2009) 1231‐1257. 

[11] Nishimoto, S., Mano, T., Kameshima, Y., Miyake, M. “Photocatalytic water 

treatment over WO3 under visible  light  irradiation combined with ozonation”. 

Chem. Phys. Letters 500 (2010) 86‐89. 

[12] Zhang, L.; Tang, X.; Lu, Z.; Wang, Z.; Li, L.; Xiao, Y. “Facile synthesis and 

photocatalytic activity of hierarchical WO3 core‐shell microspheres”. Appl. Surf. 

Sci. 258 (2011) 1719‐1724. 

[13] Shen, Y.; Ding, D.; Deng, Y. “Fabrication and characterization of WO3 flocky 

microspheres induced by ethanol”. Powder Technol. 211 (2011) 114‐119. 

Page 220: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

204 

 

[14]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456.  

[15] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination 

of residual hydrogen peroxide”. Water & Sewage Works (1977) 69‐72.  

[16] Szilágyi,  I.M.; Fórizs, B.; Rosseler, O.; Szegedi, A.; Németh, P.; Király, P.; 

Tárkányi, G.; Vajna, B.; Varga‐Josepovits, K.; László, K.; Tóth, A.L.; Baranyai, P.; 

Leskelä, M.  “WO3  photocatalysts:  Influence  of  structure  and  composition”.  J. 

Catal. 294 (2012) 119‐127.  

[17] Sheng, T.; Chavvakula, P.; Cao, B.; Yue, N.; Zhang, Y.; Zhang, H. “Growth 

of ultra‐long  sodium  tungsten oxide and  tungsten oxide nanowires: Effects of 

impurity and residue deposition”. J. Crystal Growth 395 (2014) 61‐67. 

[18] Kustova, G.N.; Chesalov, Y.A.; Plyasova, L.M.; Molina, I.Y.; Nizovskii, A.I. 

“Vibrational spectra of WO3∙nH2O and WO3 polymorphs”. Vibrational Spect. 55 

(2011) 235‐240.  

[19] Lee, J.S.; Jang, I.H.; Park, N.G. “Effects of oxidation state and crystallinity of 

tungsten oxide interlayer on photovoltaic property in bulk hetero‐junction solar 

cell”. J. Phys. Chem. C 116 (2012) 13480‐13487. 

[20] F.J. Beltrán. Ozone reaction kinetics for water and wastewater systems. Boca 

Raton, CRC Press, 2004, Florida (USA). 

[21] Leitzke, A.; Von Sonntag, C. “Ozonolysis of unsaturated acids  in aqueous 

solution:  acrylic, methacrylic, maleic,  fumaric  and muconic  acids”. Ozone  Sci. 

Eng. 31 (2009) 301‐308. 

[22]  Pecquenard,  B.;  Lecacheux, H.;  Livage  J.;  Julien,  C.  “Orthorhombic WO3 

Formed via a Ti‐Stabilized WO3∙13H2O Phase”.  J. Solid State Chem. 135  (1998) 

159‐168. 

 

 

 

 

 

 

Page 221: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

205 

 

200 300 400 500 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

SIG

NA

L (

u.a

.)

WAVELENGTH (nm)

10 20 30 40 50 60 70

W2-600-t

W2-600

W2-t

W2

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

2

SUPPLEMENTARY INFORMATION OF CHAPTER 5 

 

 

   

 

 

 

Figure 5.S1. UV‐Vis spectrum and chemical structure of DEET. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.S2. XRD patterns of non‐treated and treated WO3 catalysts. 

Page 222: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

206 

 

.

200 300 400 500 600 700 800 900

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

RAMAN SHIFT (cm-1)

W2

W2-t

W2-600

W2-600-t

805

273

328

716

799

 

Figure 5.S3. Raman spectra of non‐treated and treated WO3 catalysts. 

Page 223: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

207 

 

41 40 39 38 37 36 35 34 33 32

W2-600-t

W2

W2-t

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

W2-60038.0 35.9

W 4f

 

Figure  5.S4.  High  resolution  XPS  spectra  of W4f  spectral  region  of  non‐treated  and 

treated WO3 catalysts.  

 

Page 224: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

208 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Adsorption Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonation

Dark

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.S5. (A) DEET and (B) TOC dimensionless concentration evolution during all the 

treatments applied with W1‐600 catalyst. Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, 

CDEET,0 = 5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

 

 

 

(A)

(B)

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

TO

C/T

OC

0

TIME (min)

0

0

CT

OC

/CT

OC

,0

Page 225: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

209 

 

0 20 40 60 80 100 1200.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

CO

3 (M

)

TIME (min)

0 20 40 60 80 100 1200.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

4.0x10-5

5.0x10-5

6.0x10-5 Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonation

CH

2O2

(M)

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.S6.  (A) Dissolved O3  concentration and  (B) H2O2  concentration during all  the 

treatments applied with W1‐600 catalyst. Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, 

CDEET,0 = 5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

 

 

 

(A)

(B)

Page 226: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

210 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Adsorption Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonationDark

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min)

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.S7. (A) DEET and (B) TOC dimensionless concentration evolution during all the 

treatments applied with W2‐600‐t catalyst. Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20  ‐ 40 

°C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

 

 

(A)

(B)

Page 227: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 3: Visible light photocatalytic ozonation 

                                                                              of DEET in the presence of different forms of WO3 

211 

 

0 20 40 60 80 100 1200.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

CO

3 (M

)

TIME (min)

0 20 40 60 80 100 1200.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

4.0x10-5

5.0x10-5

6.0x10-5 Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonation

CH

2O2

(M)

TIME (min)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.S8.  (A) Dissolved O3  concentration and  (B) H2O2  concentration during all  the 

treatments applied with W2‐600‐t catalyst. Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20  ‐ 40 

°C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O2 or O3/O2).

 

 

(A)

(B)

Page 228: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 5 (CHAPTER 5)   

212 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dark

W2 W2-t W2-600 W2-600t

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

Figure 5.S9. TOC dimensionless concentration evolution during photocatalytic ozonation 

with untreated and treated W2 catalysts. Experimental conditions: pH0 = 6, T = 20 ‐ 40 °C, 

CDEET,0 = 5 mg L‐1, CWO3 = 0.25 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O3/O2). 

 

Page 229: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6) PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation

E. Mena, A. Rey, E.M. Rodríguez, F.J. Beltrán

Catalysis Today 280 (2017) 74-79

ABSTRACT. Two CeO2 catalysts with different morphology (nanocubes and nanorods)

were synthetized by hydrothermal treatment, characterized by TEM, XRD, N2

adsorption-desorption isotherms, XPS and DR-UV-Vis spectroscopy and examined for different AOPs (photocatalytic oxidation, catalytic and photocatalytic ozonation) using simulated solar radiation (λ > 300 nm) or visible radiation (λ > 390 nm) from a Xe lamp, and DEET as target compound. Neither significant DEET removal nor mineralization was achieved by solar photocatalysis and the catalysts did not show an important beneficial effect during catalytic ozonation. The best results were obtained in photocatalytic ozonation process being nanorods more active under visible radiation according to its lower band gap energy whereas nanocubes presented the highest intrinsic photocatalytic

activity under visible and solar radiation. Photocatalytic ozonation of DEET with CeO2

catalysts proceeds through a complex reaction mechanism that involves at least ozone-direct reaction that triggers a radical chain mechanism, indirect ozone reactions, ozone photolytic and photocatalytic decomposition and hydrogen peroxide formation-decomposition.

Keywords: Photocatalytic ozonation, tungsten trioxide, DEET, ozone, visible light.

Page 230: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 231: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

215 

 

6.1. INTRODUCTION 

Water pollution due to specific organic contaminants (phenolic compounds, 

aromatic hydrocarbons, pesticides, pharmaceuticals, etc.)  is a growing problem 

that requires the implementation of advanced technologies capable of removing 

not only the initial compounds but also their metabolites. Among the available 

technologies,  advanced  oxidation  processes  (AOPs)  have  demonstrated  to 

efficiently remove a wide variety of organic pollutants due to the generation of 

oxidizing  species, mainly  hydroxyl  radicals, which  non‐selectively  attack  the 

organic matter  [1]. Photocatalytic  treatments are promising alternatives due  to 

the  possibility  of  using  natural  solar  light  as  a  radiation  source  to minimize 

treatment  costs.  Besides,  the  combination  of  photocatalysis  with  ozone 

(photocatalytic ozonation) increases the generation of oxidizing species leading 

to higher degrees of mineralization  than  individual  treatments of ozonation or 

photocatalysis [2‐4]. 

For the photocatalytic processes, much of the research effort is focused on the 

development of photocatalysts  capable of absorbing visible  light  effectively  in 

order  to  increase  the  fraction  of  usable  solar  radiation  compared  to  the 

commonly used TiO2 [5,6]. In this sense, cerium oxide CeO2 is a wide band‐gap 

semiconducting material usually  in  the  range of 2.9 and 3.2 eV which absorbs 

light  in  the  near  UV  and  slightly  in  the  visible  region  depending  on  the 

morphology  and  particle  size,  being  its  properties  as  catalyst  and  catalytic 

support  highly  shape‐size  dependent  [7‐9].  In  addition,  CeO2  possesses  a 

sufficiently  long  lifetime  of  photo‐generated  electron‐hole  pairs  to  trigger 

photocatalytic  reactions  in  liquid and gas phase  [10]. Bare CeO2 with different 

morphologies/properties (microspheres, nanospheres, nanosheets, etc.) has been 

used as photocatalyst in the degradation of organic pollutants in water, most of 

them  belonging  to  the  dyes  family  [11‐15]  or  phenol  and  phenol  derivatives 

[8,16]. These works pointed out that the morphology and crystal size of CeO2 are 

highly important in the amount and nature of surface defects, oxygen vacancies, 

CeO2‐light interaction and, definitely, in the behavior of CeO2 as photocatalyst. 

Page 232: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

216 

 

On  the other hand, CeO2 has demonstrated  to be catalytically active during 

ozonation of organic pollutants of different nature  such  as phenol  [17], oxalic 

and oxamic acids [18] or bezafibrate [19]. Main reaction pathways proposed are 

related to the adsorption and subsequent decomposition of ozone into hydroxyl 

radicals, being the presence of Ce(III)/oxygen vacancies in the surface the main 

responsible of the catalytic activity [17,18]. 

As  far as we know,  the combination of photocatalytic oxidation with ozone 

using CeO2 as photocatalyst has not been previously reported but it is expected 

to  take  benefits  of  both  processes  (photocatalysis  and  catalytic  ozonation) 

together  with  the  synergism  observed  during  photocatalytic  ozonation 

treatment [2]. Therefore, the aim of this work focuses on the application of two 

nanostructured  CeO2  catalysts  with  different  morphology  (nanocubes  and 

nanorods)  in  ozone  and  photocatalysis  based AOPs  (photocatalysis,  catalytic 

and photocatalytic ozonation) using simulated solar radiation (300 ‐ 800 nm) and 

visible  radiation  (390  ‐  800  nm)  from  a  Xe  lamp,  and  N,N‐diethyl‐meta‐

toluamide  (DEET)  as  target  compound.  DEET  is  a  common  insect  repellent 

found in different aquatic environments [20] that presents a low reactivity with 

ozone [21], thus facilitating the comparison between the different processes. 

6.2. EXPERIMENTAL SECTION 

6.2.1. Catalysts preparation 

Two CeO2 catalysts were synthetized by hydrothermal  treatment according 

to  a previous work  [22]. Briefly, Ce(NO3)3∙6H2O was dissolved  in  6 M NaOH 

solution and then transferred to a 125 mL autoclave (filled at 75 %) and heated 

during 24 h at 100 °C for nanorods (NR) or 180 °C for nanocubes (NC). After the 

hydrothermal treatment, the autoclave was cooling down to room temperature 

and then, the precipitates were separated by centrifugation, washed sequentially 

with water and ethanol and dried at 100 °C overnight. 

Page 233: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

217 

 

6.2.2. Characterization 

CeO2 catalysts were characterized by different  techniques. X‐ray diffraction 

(XRD)  patterns  were  recorded  using  a  powder  Bruker  D8  Advance  XRD 

diffractometer with a Cu Kα radiation (λ = 0.1541 nm). The data were collected 

from  2θ  =  20°  ‐  80°  at  a  scan  rate of  0.02  s−1. A Tecnai G2  20  (FEI Company) 

transmission electron microscope at 200 kV was used  to study  the crystallinity 

and morphology of the samples. Textural properties were analyzed by nitrogen 

adsorption‐desorption  isotherms  at  ‐196  °C  using  an  Autosorb‐1  apparatus 

(Quantachrome). The samples were outgassed at 250 °C for 12 h under vacuum 

(<  10−2 mbar).  Surface  characterization was performed  by X‐ray photoelectron 

spectroscopy. XPS spectra were obtained with a Kα Thermo Scientific apparatus 

with Al  Kα  (h  =  1486.68  eV)  X‐ray  source  using  a  voltage  of  12  kV  under 

vacuum (2x10−7 mbar). Binding energies were calibrated relative to the C1s peak 

at  284.6  eV  and  spectra deconvolution was  accomplished  using XPS‐Peak  4.1 

software. Diffuse  reflectance UV‐Vis  spectroscopy  (DR‐UV‐Vis) measurements 

were  performed  with  a  UV‐Vis‐NIR  Cary‐5000  spectrophotometer  (Varian‐

Agilent  Technologies)  equipped with  an  integrating  sphere  device.  Band  gap 

values  of  the  samples  were  obtained  using  Tauc’s  equation,  assuming  an 

indirect band gap semiconductor behavior [23]. 

6.2.3. Catalytic activity measurements 

Photocatalytic  experiments were  carried  out  in  a  solar  simulator  (Suntest 

CPS, Atlas) provided with a 1500 W Xe  lamp operated at 550 W m−2.  In some 

cases  light  transmission was  restricted  to  λ > 390 nm by means of a modified 

polyester  cut‐off  filter  (Edmund  Optics)  for  visible  experiments,  whereas  a 

window  glass  filter was  used  for  simulating  the  spectrum  of  solar  radiation 

reaching  the Earth’s  surface  (λ  >  300 nm). The  spectral  irradiance of Xe  lamp 

using  the window glass  filter, and  the  transmittance of  the polyester  filter are 

represented in Figure 6.1. The experiments were carried out in semi‐batch mode 

(batch with respect  to  the  liquid phase and continuous with respect  to  the gas 

Page 234: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

218 

 

phase) using a borosilicate glass‐made round flask provided with gas inlet, gas 

outlet  and  a  liquid  sampling  port.  In  a  typical  photocatalytic  ozonation 

experiment,  the reactor was  loaded with 500 mL of 5 mg L‐1 of DEET aqueous 

solution (pH0 = 6). The catalyst was then added (0.25 g L‐1) and the suspension 

was magnetically  stirred  in  the dark  for 30 min before  switching on  the  lamp 

and feeding ozone to the reactor (15 L h−1 gas flow rate, 10 mg L−1 O3, with an 

ozone  generator Labor‐Ozonisator  from  Sander  fed with  pure  oxygen  from  a 

cylinder). The temperature in all the experiments was maintained at 35 ‐ 40 °C. 

Besides photocatalytic ozonation (CeO2/O3/h), blank experiments of photolysis 

(h),  single  ozonation  (O3),  photolytic  ozonation  (O3/h),  adsorption  (CeO2), 

photocatalysis (CeO2/h) and catalytic ozonation (CeO2/O3) were carried out for 

comparative  reasons. Most of  the  experiments were  triplicated.  Samples were 

withdrawn from the reactor at different interval times, filtered with 0.2 μm PET 

membranes and analyzed.  

 

300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4

5

SP

EC

TR

AL

IRR

AD

IAN

CE

(W

m-2

nm

-1)

AB

SO

RB

AN

CE

(u

.a.)

WAVELENGTH (nm)

NC

NR

0

20

40

60

80

100F

ILT

ER

TR

AN

SM

ITT

AN

CE

(%

)

  

Figure  6.1.  UV‐Vis  characteristics  of  the  photocatalytic  system  applied  (spectral 

irradiance of the Xe  lamp  in the solar simulator, transmittance of the UV filter and UV‐

Vis absorbance of the CeO2 catalysts). 

DEET concentration was analyzed by HPLC‐DAD  (Hitachi, Elite LaChrom) 

Page 235: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

219 

 

using a Phenomenex C‐18 column (5 μm, 150 mm long, 3 mm diameter) and 0.6 

mL min−1 of acetonitrile‐acidified water (0.1 % formic acid) as mobile phase (30 ‐ 

70 v/v,  isocratic).  Identification  and quantification was  carried out  at  220 nm. 

Total  organic  carbon  (TOC)  was  measured  using  a  Shimadzu  TOC‐VSCH 

analyzer. Aqueous ozone was photometrically determined by the indigo method 

at  600  nm  [24],  in  a  UV‐Vis  spectrophotometer  Evolution  201 

(Thermospectronic) and ozone in the gas phase was continuously monitored by 

an  online  analyzer  (Anseros  Ozomat  GM‐6000Pro).  Hydrogen  peroxide 

concentration  was  photometrically  determined  by  the  cobalt/bicarbonate 

method at 260 nm using  the same spectrophotometer  [25]. Short‐chain organic 

acids  were  analyzed  by  ion  chromatography  with  chemical  suppression 

(Metrohm 881 Compact Pro) and a conductivity detector, using a MetroSep A 

sup  5  column  (250 mm  long,  4 mm  diameter)  at  45  °C  and  0.7 mL min‐1  of 

Na2CO3  from  0.6  ‐  14.6 mM  in  50 min  (10 min post‐time  for  equilibration)  as 

mobile phase. 

6.3. RESULTS AND DISCUSSION 

6.3.1. Photocatalysts characterization 

The  formation  of  nanostructured  CeO2 with NC  or NR morphology was 

confirmed by TEM as can be observed  in Figure 6.2(A). From  the NC  images, 

also  some  rectangular  prism  particles  have  been  detected  (a minority  in  the 

images  analyzed).  The  size  of  NC  and  NR,  determined  from  several  TEM 

representative  images  (not  shown),  is  given  in  Table  6.1. A  size  distribution 

between  25  and  100  nm was  obtained  for NC whereas  the NR  presented  a 

thickness of ~ 7.2 nm and lengths between 40 and 200 nm. NC and NR showed 

{100} and {110} + {100} exposed facets, respectively, which is in accordance with 

previous  reports  [22]. On  the  other  hand, XRD  patterns  shown  in  Fig.  6.2(B) 

confirmed the formation of pure CeO2 cubic phase (fluorite structure, JCPDS 34‐

0394) in both NC and NR samples [22]. 

Page 236: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

220 

 

 

Figure  6.2.  Structural  characterization  of  the  CeO2  nanostructured  catalysts:  (A)  TEM 

images and (B) XRD patterns. 

The  porosity  of  the  catalysts  was  evaluated  by means  of  N2  adsorption‐

desorption isotherms. BET surface area and total pore volumes are summarized 

in  Table  6.1.  Previous  reports  have  shown  that  these materials  are  free  of  a 

developed  pore  structure  except  general  random  stacking  of  nanoparticles 

[22,26]. Due to its morphology and lower crystal size, NR presented higher SBET 

and pore volume values than NC. With these characteristics, it is reasonable to 

assume  that  the  powder  dispersion  of  these materials  (NR  and NC)  can  be 

illuminated without internal shading from pores. Thus, the surface area exposed 

to  light  (SBET  in  this  case)  should  be  taken  into  account  since  it  can  affect  the 

photocatalytic behavior to some extent. 

 

NC

NR

(A) (B)

20 30 40 50 60 70 80

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

2 (º)

NR-CeO2

NC-CeO2

Page 237: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation

221

Tabl

e 6.

1. P

rope

rtie

s of

the

CeO

2 nan

ostr

uctu

red

cata

lyst

s.

CA

TALY

ST

Synt

hesi

s a S

ize

(nm

) Ex

pose

d fa

cets

CeO

2 cr

ysta

lline

ph

ase

SBET

(m

2 g-1

) V

p

(cm

3 g-1

) b C

e(II

I)

(%, a

t.)

b Ce(

IV)

(%, a

t.)

Eg

(eV

)

NC

H

ydro

ther

mal

NaO

H

6 M

180

°C, 2

4h

25 -

100

{100

} C

ubic

14

0.

185

12.6

87

.4

3.32

NR

Hyd

roth

erm

al N

aOH

6

M 1

00 °C

, 24h

(7

.2 ±

1.1

) x

(40

- 200

) {1

10} +

{100

} C

ubic

10

9 0.

522

23.6

76

.4

3.07

a S

ize o

f the

mai

n di

men

sions

by

TEM

ana

lyse

s; b C

alcu

late

d fro

m C

e 3d

XPS

dec

onvo

lutio

n

Page 238: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

222 

 

One of the main characteristics of CeO2 catalysts is their oxygen and electron 

mobility  due  to  the  presence  of  surface  defects,  reduced  states  of  Ce(III)  or 

oxygen  vacancies  in  the  CeO2  structure.  High‐resolution  XPS  spectra 

corresponding to Ce3d spectral region of NC and NR samples have been plotted 

in  Figure  6.3.  From  this  figure,  a  slight  shift  of Ce3d  peaks  to  lower  binding 

energies in NR with respect to NC sample is noticed. This has been attributed to 

an increase of the electron density around Ce nucleus, suggesting the existence 

of more Ce(III) ions on the surface of NR sample [26]. In addition, this has been 

confirmed by the highest intensity of the peaks corresponding to Ce(III) species 

(v0, v’, u0, u’) in NR catalyst [18,26,27], leading to a higher percentage of surface 

Ce(III) in NR compared to NC sample (see Table 6.1).    

920 910 900 890 880 870

NR 23.6% 76.4%NC 12.6% 87.4%

CP

S (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

NR

NC

v0

v'

u0u'

Ce(III) Ce(IV)

 

Figure 6.3. High‐resolution XPS spectra and deconvolution of the Ce3d spectral region of 

the CeO2 nanostructured catalysts. 

Page 239: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

223 

 

Finally, optical properties of  the catalysts have been studied by DR‐UV‐Vis 

spectroscopy. Fig. 6.1 shows the UV‐Vis absorption spectra of NC and NR where 

a  noticeable  shift  to  higher  wavelength  for  NR  sample  is  observed,  which 

suggests  this  catalyst  can  use  a  higher  fraction  of  visible  radiation  to  trigger 

photocatalytic  reactions.  The  optical  energy  band  gap  values  (Eg)  calculated 

assuming indirect band gap behavior for both catalysts are also summarized in 

Table 6.1. A value of 3.32 eV was obtained for NC, somewhat higher than that 

reported for bulk CeO2 (around 3.19 eV) due to smaller particle sizes [28]. On the 

contrary, a noticeable lower Eg value was calculated for NR indicating a clearly 

shift to higher absorption wavelengths as deduced from Fig. 6.1. This effect may 

be attributed to the lattice defects and oxygen vacancies present in the ceria NR 

[28], in agreement with the results obtained by XPS analyses. 

6.3.2. Catalytic activity 

The  activity  of  the  CeO2  catalysts  was  evaluated  in  DEET  degradation 

through  AOPs  of  photocatalytic  oxidation,  catalytic  ozonation  and 

photocatalytic ozonation  in aqueous solution using visible and simulated solar 

radiation. The results obtained  for DEET degradation are shown  in Figure 6.4. 

Some  blank  experiments  are  also  included  for  comparative  purposes.  As 

reported in a previous work, at the conditions applied no DEET degradation by 

direct photolysis was observed  [29]. The  adsorption  capacity of both  catalysts 

was also negligible being DEET removal lower than 10 %. In addition, in spite of 

the optical properties of the catalysts, no significant DEET removal was achieved 

by photocatalysis regardless of the radiation used (visible or solar). These results 

differ from those previously reported using different CeO2 catalysts, although in 

those  cases photosensitizing dyes were used  as  target  compounds  [11‐15]. On 

the  other  hand,  the  highest DEET  degradation  rate was  obtained  for  ozone‐

based systems. Thus, single ozonation led to a complete removal of DEET in less 

than 60 min. A similar DEET evolution was observed during catalytic ozonation 

with  respect  to ozonation  regardless of  the  catalyst used. This points out  that 

these  materials  do  not  show  any  beneficial  effect  on  DEET  removal  when 

Page 240: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

224 

 

combined with ozone in the dark, at the conditions used in this work. 

-30 0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NR NR/h NR/O

3

NR/O3/h

NC NC/h NC/O

3

NC/O3/h

h O

3

O3/h

Dark

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min)  

-30 0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NR NR/h NR/O

3

NR/O3/h

NC NC/h NC/O

3

NC/O3/h

h O

3

O3/h

Dark

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min) 

 

Figure  6.4.  Evolution  of  normalized  DEET  concentration  during  different  treatments 

applied  under  visible  (A)  and  solar  (B)  simulated  radiation  (maximum  standard 

deviation of the DEET concentrations in 3 repeated runs 0.03, not shown). Experimental 

conditions: pH0 = 6, T = 35  ‐ 40  °C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, CCeO2 = 0.25 g L‐1, CO3,g  inlet = 10                    

mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

 

However,  the  impact of  the  radiation  (visible  and  solar) on  the  efficacy of 

ozone‐based processes was significant and, in general, higher degradation rates 

(A) VISIBLE

(B) SOLAR

Page 241: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

225 

 

were observed when solar light was used (Fig. 6.4(B)). In this sense, DEET was 

completely removed after 45 and 30 min when ozone was combined with visible 

and  solar  radiation,  respectively,  being  these  periods  clearly  lower  than  that 

required by single ozonation (60 min). It has been previously demonstrated that 

ozone  can  undergo  direct  photolysis  under  solar  radiation  promoting  the 

formation  of  some  reactive  oxygen  species  capable  of  oxidizing  the  organic 

matter in aqueous solution [30,31]. Nevertheless, the interaction between visible 

radiation and ozone is unclear and will be investigated in future works. Finally, 

according  to  Fig.  6.4(A),  the  addition  of NC  and NR  catalysts  to  the  ozone  + 

radiation system had almost no effect on DEET degradation rate. Only a slight 

beneficial  effect was  observed when  visible  light was  used,  regardless  of  the 

type of catalyst. 

Main differences between ozone‐based treatments were observed in terms of 

DEET  mineralization  (i.e.  transformation  into  CO2,  H2O  and  inorganic 

compounds). Figure 6.5 shows  the percentage of mineralization during ozone‐

based treatments at 120 min reaction time. As observed, ozone alone gave rise to 

only  a  19 % mineralization  due  to  the  formation  of  intermediate  compounds 

refractory to ozone direct reaction (oxalic, formic and acetic acids were detected 

in the reaction medium) [32]. The presence of CeO2 catalysts slightly  increased 

(by 5 %) the final mineralization, which could be attributable to a positive effect 

of  cerium  oxide  on  the  elimination  of  some  intermediate  compounds  formed 

during DEET ozonation. The  combination of ozone and  radiation gave  rise  to           

29 %  and  47 %  of  TOC  removal  under  visible  and  solar  light,  respectively. 

Therefore,  compared  to  visible  light  the  effect  of  the  entire  solar  spectrum 

(which  also  includes  wavelengths  between  300  ‐  390  nm)  is  much  higher. 

However,  the  best  results were  obtained when  photocatalytic  ozonation was 

applied, being NR the most active under visible radiation (68 % TOC removal), 

likely  due  to  its  lower  band  gap  energy  as  a  consequence  of  higher  Ce(III) 

surface  ratio, whereas NC presented  the highest photocatalytic  activity under 

solar  radiation  (80  %  TOC  removal).  This  is  in  agreement  with  the  highest 

energy of  {100}  facets  (thermodynamically more unstable) predominant  in NC 

Page 242: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

226 

 

with  respect  to NR,  allowing  higher  photocatalytic  activity  for  this material 

because once excited the photoinduced holes exhibit superior oxidizing ability, 

according to previously reported results [26].  

0

20

40

60

80

100

O3/NRO3/NCO3

TO

C R

EM

OV

AL

(%)

Dark Visible Solar

 

Figure  6.5.  TOC  removal  with  the  CeO2  catalysts  and  O3  processes.  Experimental 

conditions: pH0 = 6, T = 35  ‐ 40  °C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, CCeO2 = 0.25 g L‐1, CO3,g  inlet = 10                   

mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O3/O2). 

These results have also been confirmed by calculating the pseudo‐first order 

apparent  rate  constant of TOC  removal, kTOC, during photocatalytic ozonation 

treatment, according to Eq. (6.1): 

  TOCTOC TOC

dC‐ k C

dt   (6.1) 

where  CTOC  is  expressed  in mg  L‐1,  t  in min  and  kTOC  in min‐1.  Results  are 

summarized  in Table  6.2  together with  the  correlation  coefficient. Taking  into 

account the different irradiated surface area of the two catalysts (see Table 6.1), 

values of normalized to SBET apparent rate constants (kTOC/SBET, min‐1 m‐2 g1) have 

been  calculated.  The  values  obtained  (Table  6.2)  confirm  the  highest 

photocatalytic activity of ceria NC.  It  is also noticeable  that solar UV radiation 

did not  improve  the mineralization  rate when NR  is used probably due  to an 

Page 243: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

227 

 

increase of the recombination rate in the semiconductor.   

Table  6.2.  Pseudo‐first  order  apparent  rate  constant  for  TOC  elimination  during 

photocatalytic ozonation runs. 

CATALYST  RADIATION kTOCx103 

(min‐1) 

kTOC/SBETx104 

(min‐1 m‐2 g) R2 

NC 

Visible  7.2  5.1  0.98 

Solar  11.8  8.4  0.96 

NR 

Visible  11.2  1.1  0.95 

Solar  11.5  1.1  0.94 

6.3.3.  Considerations  on  the  reaction  mechanism  of  DEET  photocatalytic 

ozonation with CeO2 catalysts and solar radiation 

According  to  the above results, photocatalytic ozonation of DEET using  the 

CeO2 catalysts studied here, may proceed  through a complex mechanism with 

the expected participation of ozone (direct reaction), and/or  •HO  radicals formed 

from ozone decomposition (indirect reactions). Ozone can decompose into  •HO  

by  several  pathways:  (1)  in  the  dark,  (2)  by  interaction  with  light,  (3)  by 

interaction  with  the  catalyst,  and  (4)  by  interaction  with  both  light  and  the 

catalyst. To discuss the possible contributions of each pathway Figure 6.6 shows 

the  evolution  of  DEET  eliminated,  dissolved  ozone  and  hydrogen  peroxide 

formed  during  ozone‐based  treatments  using  NC  CeO2  and  simulated  solar 

radiation. 

Regarding to ozone‐direct reactions, a low reactivity of DEET towards ozone 

has been previously  reported  (kO3‐DEET = 0.123 M‐1  s‐1  [21]). Taking  into account 

this value, at the conditions used in this work, the reaction between ozone and 

Page 244: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

228 

 

DEET  progress  into  the  slow  kinetic  regime  [32,33],  being DEET  degradation 

rate by direct ozone reaction given by Eq. (6.2): 

 3 3

DEETO ‐DEET DEET O

dC‐ k C C

dt   (6.2) 

where CDEET  is DEET molar  concentration  and CO3  the dissolved  ozone molar 

concentration. The expected evolution of DEET eliminated during ozonation in 

the dark considering only  its  reaction with ozone  is shown  in Fig. 6.6. As  it  is 

observed, the experimental conversion rate was much higher than that predicted 

by Eq.  (6.2),  indicating  that species different  from O3 are  the main  responsible 

for the degradation of the target compound. However, it is important to notice 

that kO3‐DEET value was  reported at 20  °C whereas  the  temperature during  the 

experiments was maintained at 35 ‐ 40 °C. Also, due to the low value of kO3‐DEET 

some uncertainty on its determination should not be disregarded. 

During  all  ozone‐based  treatment  pH  evolved  from  6  to  ~  4. At  these  pH 

values,  at  the beginning of  the  experiment  some ozone decomposition  can be 

promoted by hydroxide anion although  it  likely becomes negligible when pH 

decreases  [32]. Therefore, during DEET degradation by single ozonation  in  the 

dark  it can be hypothesized  that direct  interaction between DEET‐O3 acts as a 

trigger of a chain mechanism that leads to the formation of ozonide and/or  •HO

radicals, as has been previously reported for different organic compounds [33]. 

The key role of  •HO  during DEET single ozonation has been previously reported 

[34]. 

The  evolution  of  dissolved  O3,  also  depicted  in  Fig.  6.6,  shows  a  higher 

accumulation during ozonation compared to treatments where a catalyst and/or 

radiation were  also  present.  This  is  indicative  of  the  decomposition  of  ozone 

over the catalyst surface (although almost inefficient in the dark) and/or through 

its  photolysis.  According  to  the  literature  [30,35],  both  mechanisms  could 

promote  the  formation of hydroxyl radicals,  thus  increasing  the mineralization 

Page 245: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

229 

 

rate of DEET. 

 

Figure 6.6. Evolution of DEET converted, H2O2  formed and O3 dissolved during  the O3 

treatments  applied  using  CeO2‐NC  catalyst  and  simulated  solar  light.  Experimental 

conditions: pH0 = 6, T = 35  ‐ 40  °C, CDEET,0 = 5 mg L‐1, CCeO2 = 0.25 g L‐1, CO3,g  inlet = 10                    

mg L‐1, Qg = 15 L h‐1 (O3/O2). 

 

In  addition,  it  is well known  that hydrogen peroxide  is  commonly  formed 

through  direct  ozone  and  hydroxyl  radical  reactions. Accordingly, H2O2 was 

detected  during  DEET  ozonation.  As  observed  in  Fig.  6.6,  during  single 

ozonation  about  the  same  concentration  of H2O2  is  formed  respect  to  DEET 

depleted. When  light  and/or NC  catalyst were  also present  the  ratio  between 

H2O2 in solution and DEET eliminated was much lower, and more markedly in 

the presence of NC thus indicating the decomposition of H2O2 is accelerated by 

CeO2 catalyst surface. It is important to notice that H2O2 decomposition seems to 

be  inefficient  towards DEET degradation  and mineralization  according  to  the 

evolution  of DEET  and TOC during  catalytic  ozonation  (dark). However,  the 

0 20 40 60 80 100 120

TIME (min)

NC/O3/h

0 20 40 60 80 100 1200.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5O

3/h

C (

M)

TIME (min)

NC/O3

0.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

O3

C (

M)

DEET (converted) H

2O

2 (formed)

DEET (simulated) O

3 (dissolved)

Page 246: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

230 

 

role  of H2O2  as  electron  acceptor  during  solar  light  photocatalytic  ozonation 

using  CeO2  cannot  be  disregarded  [35].  The  role  of  hydrogen  peroxide  as 

electron acceptor as well as the contribution of the different reaction pathways 

to DEET degradation and mineralization by photocatalytic ozonation using solar 

light and CeO2 NC as catalyst will be the subject of future work. 

6.4. CONCLUSIONS 

Nanostructured  CeO2  catalysts  with  different morphology  (nanorods  and 

nanocubes) were  active  in photocatalytic  ozonation  treatment  of DEET under 

visible  and  simulated  solar  radiation.  CeO2  with  nanorod‐like  structure 

presented higher irradiated surface area due to its morphology and also higher 

amount of  surface defects and oxygen vacancies,  leading  to  smaller band gap 

energy  and  thus  being  apparently  more  active  than  CeO2  nanocubes  under 

visible light radiation. However, the presence of the exposed facets {100} in CeO2 

nanocubes  provokes  an  increased  intrinsic  photocatalytic  activity  in  this 

material  with  respect  to  nanorods  under  both  visible  and  solar  radiation. 

Photocatalytic  ozonation  of  DEET  with  CeO2  catalysts  proceeds  through  a 

complex reaction mechanism that involves at least an ozone‐direct reaction that 

triggers a  radical  chain mechanism,  indirect ozone  reactions, ozone photolytic 

and  photocatalytic  decomposition  and  hydrogen  peroxide  formation‐

decomposition.  The  importance  of  the  different  processes  and  the  effect  of 

visible radiation will be the subject of a future work. 

AKNOWLEDGEMENTS 

Authors  thank  the  Spanish  MINECO/European  Feder  Funds  (CTQ2012‐

35789‐C02‐01) and Junta de Extremadura (Ayuda Exp. GR15‐033) for economic 

support. E. Mena thanks the Consejería de Empleo, Empresa e Innovación (Junta 

de Extremadura) and European Social Fund for her FPI grant (Ref. PD12059). 

 

Page 247: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

231 

 

REFERENCES 

[1]  Oturan,  M.A.;  Aaron,  J.J.  “Advanced  oxidation  processes  in 

water/wastewater  treatment: Principles and applications. A  review”. Crit. Rev. 

Environ. Sci. Technol. 44 (2014) 2577‐2641. 

[2] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K.  “A  review  of  synergistic  effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[3] Mehrjouei, M.; Müller, S.; Möller, D. “A review on photocatalytic ozonation 

used for the treatment of water and wastewater”. Chem. Eng. J. 263 (2015) 209‐

219.  

[4]  Xiao,  J.;  Xie,  Y.;  Cao,  H.  “Organic  pollutants  removal  in  wastewater  by 

heterogeneous photocatalytic ozonation”. Chemosphere 121 (2015) 1‐17. 

[5] Malato,  S.;  Fernández‐Ibáñez,  P.; Maldonado, M.I.;  Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59. 

[6] Dong, S.Y.; Feng, J.L.; Fan, M.H.; Pi, Y.Q.; Hu, L.M.; Han, X.; Liu, M.L.; Sun, 

J.Y.;  Sun,  J.H.  “Recent  developments  in  heterogeneous  photocatalytic  water 

treatment using visible  light‐responsive photocatalysts: a  review”. RSC Adv. 5 

(2015) 14610‐14630. 

[7] Huang, W.; Gao, Y. “Morphology‐dependent surface chemistry and catalysis 

of CeO2 nanocrystals”. Catal. Sci. Technol. 4 (2014) 3772‐3784. 

[8]  Aslam,  M.;  Qamar,  M.T.;  Tahir‐Soomro,  M.;  Ismail,  I.M.I.;  Salah,  N.; 

Almeelbi, T.; Gondal, M.A.; Hameed, A. “The effect of sunlight induced surface 

defects on  the photocatalytic activity of nanosized CeO2  for  the degradation of 

phenol and its derivatives”. Appl. Catal. B Environ. 180 (2016) 391‐402.  

[9] Huang, X.; Beck, M.J. “Size‐dependent appearance of intrinsic  qxO  “activated 

oxygen” molecules on ceria nanoparticles”. Chem. Mater. 27 (2015) 5840‐5844. 

[10] Hernández‐Alonso, M.D.; Hungría,  A.B.; Martínez‐Arias,  A.;  Fernández‐

García,  M.;  Coronado,  J.M.;  Conesa,  J.C.;  Soria,  J.  “EPR  study  of  the 

photoassisted formation of radicals on CeO2 nanoparticles employed for toluene 

photooxidation”. Appl. Catal. B Environ. 50 (2004) 167‐175. 

[11] Deng, W.; Chenn, D.; Chenn, L. “Synthesis of monodisperse CeO2 hollow 

spheres with  enhanced  photocatalytic  activity”.  Ceram.  Int.  41  (2015)  11570‐

11575. 

Page 248: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 6 (CHAPTER 6)   

232 

 

[12] Muduli, S.K.; Wang, S.; Chen, S.; Fan‐Ng, C.; Huan, C.H.A.; Sum, T.C.; Soo, 

H.S.  “Mesoporous  cerium  oxide  nanospheres  for  the  visible‐light  driven 

photocatalytic degradation of dyes”. Beilstein J. Nanotechnol. 5 (2014) 517‐523. 

[13]  Yu,  Y.;  Zhu,  Y.;  Meng,  M.  “Preparation,  formation  mechanism  and 

photocatalysis  of  ultrathin  mesoporous  single‐crystal‐like  CeO2 nanosheets”. 

Dalton Trans. 42 (2013) 12087‐12092.  

[14] Feng, T.; Wang, X.; Feng, G.  “Synthesis of novel CeO2 microspheres with 

enhanced solar light photocatalyic properties”. Mater. Lett. 100 (2013) 36‐39.  

[15] Sifontes, A.B.; Rosales, M.; Méndez, F.J.; Oviedo, O.; Zoltan, T.  “Effect of 

calcination  temperature on  structural properties  and photocatalytic  activity of 

ceria nanoparticles synthesized employing chitosan as template”. J. Nanomater. 

Article ID 265797 (2013) 1‐9. 

[16] Karunakaran, C.; Dhanalakshmi, R. “Semiconductor‐catalyzed degradation 

of phenols with sunlight”. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92 (2008) 1315‐1321. 

[17] da Silva, M.F.P.; Soeira, L.S.; Daghastanli, K.R.P.: Martins, T.S.; Cuccovia, 

I.M.; Freire, R.S.; Isolani, P.C. “CeO2‐catalyzed ozonation of phenol: The role of 

cerium  citrate as precursor of CeO2”.  J. Therm. Anal. Calorim. 102  (2010) 907‐

913.  

[18] Faria, P.C.C.; Orfao,  J.J.M.; Pereira, M.F.R. “A novel ceria‐activated carbon 

composite for the catalytic ozonation of carboxylic acids”. Catal. Comm, 9 (2008) 

2121‐2126.  

[19] Gonçalves, A.G.; Orfao,  J.J.M.;  Pereira, M.F.R.  “Ozonation  of  bezafibrate 

over ceria and ceria supported on carbon materials”. Environ. Technol. 36 (2015) 

776‐785. 

[20]  Adams,  W.A.;  Impellitteri,  C.A.  “The  photocatalysis  of N,N‐diethyl‐m‐

toluamide  (DEET)  using  dispersions  of  Degussa  P‐25  TiO2 particles”.  J. 

Photochem. Photobiol. A Chem. 202 (2009) 28‐32. 

[21] Benítez, F.J.; Acero, J.L.; García‐Reyes, J.F.; Real, F.J.; Roldán, G.; Rodríguez, 

E.;  Molina‐Díaz,  A.  “Determination  of  the  reaction  rate  constants  and 

decomposition mechanisms of ozone with  two model emerging contaminants: 

DEET and Nortriptyline”. Ind. Eng. Chem. Res. 52 (2013) 17054‐17073.  

[22] Mai, H.X.; Sun, L.D.; Zhang, Y.W.; Si, R.; Feng, W.; Zhang, H.P.; Liu, H.C.; 

Yan,  C.H.  “Shape‐selective  synthesis  and  oxygen  storage  behavior  of  ceria 

nanopolyhedra, nanorods, and nanocubes”.  J. Phys. Chem. B 109  (2005) 24380‐

24385. 

[23]  Tauc,  J.  “Absorption  edge  and  internal  electric  field  in  amorphous 

Page 249: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 4: Nanostructured CeO2 as catalysts for different  

                                                    AOPs based in the application of ozone and simulated solar radiation 

233 

 

semiconductors”. Mater. Res. Bull. 5 (1970) 721‐729. 

[24]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456. 

[25] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination 

of residual hydrogen peroxide”. Water & Sewage Works (1977) 69‐72. 

[26]  Jiang,  D.; Wang, W.;  Zhang,  L.;  Zheng,  Y.; Wang,  Z.  “Insights  into  the 

surface‐defect dependence of photoreactivity over CeO2 nanocrystals with well‐

defined crystal facets”. ACS Catal. 5 (2015) 4851‐4858. 

[27]  Muñoz‐Batista,  M.J.;  Gómez‐Cerezo,  M.N.;  Kubacka,  A.;  Tudela,  D.; 

Fernández‐García,  M.  “Role  of  interface  contact  in  CeO2‐TiO2 photocatalytic 

composite materials”. ACS Catal. 4 (2014) 63‐72. 

[28]  Zdravkovic,  J.;  Simovic,  B.;  Golubovic,  A.;  Poleti,  D.;  Veljkovic,  I.; 

Scepanovic,  M.;  Brankovic,  G.  “Study  of  CeO2  nanopowders  obtained  by 

hydrothermal method from various precursors”. Ceramics Int., 141 (2015) 1970‐

1979. 

[29] Mena, E.; Rey, A.; Contreras,  S.; Beltrán, F.J.  “Visible  light photocatalytic 

ozonation of DEET in the presence of different forms of WO3”. Catal. Today 252 

(2015) 100‐106.  

[30] Sánchez, L.; Domènech, X.; Casado, J.; Peral, J. “Solar activated ozonation of 

phenol and malic acid”. Chemosphere 50 (2003) 1085‐1093. 

[31]  Quiñones,  D.H.;  Rey,  A.;  Álvarez,  P.M.;  Beltrán,  F.J.;  Plucinski,  P.K. 

“Enhanced activity and reusability of TiO2 loaded magnetic activated carbon for 

solar photocatalytic ozonation”. Appl. Catal. B Environ. 144 (2014) 96‐106. 

[32] Beltran, F.J.  “Ozone  reaction kinetics  for water and wastewater  systems”. 

Boca Raton, CRC Press, 2004, Florida (USA).  

[33]  Rey,  A.; Mena,  E.;  Chávez,  A.M.;  Beltrán,  F.J.; Medina,  F.  “Influence  of 

structural  properties  on  the  activity  of  WO3  catalysts  for  visible  light 

photocatalytic ozonation”. Chem. Eng. Sci. 126 (2015) 80‐90. 

[34] Acero,  J.L.; Benítez,  F.J.; Real,  F.J.; Rodríguez, E.  “Elimination  of  selected 

emerging contaminants by the combination of membrane filtration and chemical 

oxidation processes”. Water Air Soil Pollut. 226 (2015) 139‐1‐139‐14. 

[35]  Mena,  E.;  Rey,  A.;  Acedo,  B.;  Beltrán,  F.J.;  Malato,  S.  “On  ozone‐

photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced  reactions:  Oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  versus  heterogeneous  photocatalysis”. 

Chem. Eng. J. 204‐206 (2012) 131‐140. 

Page 250: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 251: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7) PAPER 5: WO3-TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent

A. Rey, P. García-Muñoz, M.D. Hernández-Alonso, E. Mena, S. García-Rodríguez, F.J. Beltrán

Applied Catalysis B: Environmental 154-155 (2014) 274-284

ABSTRACT. This work is focused on the use of TiO2-WO3 photocatalysts for the

removal of a mixture of emerging contaminants through photocatalytic ozonation using

simulated solar light as radiation source. Own-made TiO2-WO3 catalysts with WO3

content around 4 wt. % were synthetized using P25 and titanate nanotubes as TiO2

starting materials. Photocatalysts were thoroughly characterized by means of ICP-OES,

N2 adsorption-desorption isotherms, XRD, TEM, Raman, XPS and DR-UV-Vis

spectroscopy. Photocatalytic ozonation using WO3 based titanate nanotubes composite

gave place to complete removal of emerging contaminants (caffeine, metoprolol and ibuprofen in a Municipal Wastewater Treatment Plant effluent aqueous matrix) in less than 40 min with TOC removal up to 64 % after 2 h. The highest catalytic activity of this

material in the reaction under study compared to bare TiO2 is due to several effects such

as higher activity under visible light radiation joined to an increase in adsorption capacity

of organic compounds and catalytic ozonation ability caused by the presence of WO3.

Keywords: Photocatalytic ozonation, tungsten oxide-titanium dioxide, titanate nanotubes, ozone, emerging contaminants.

Page 252: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 253: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

237 

 

7.1. INTRODUCTION 

Emerging  contaminants  (ECs),  such  as  pharmaceuticals  and  personal  care 

products, which  usually  present  endocrine  disrupting  activity,  are  frequently 

detected in wastewater and aquatic environments [1,2]. These contaminants can 

cause  severe  adverse  effects  in  human  and wildlife  and  their  removal  is  of  a 

great  concern  on  environmental  and  health  risk management  [2,3]. However 

these  compounds  are  hardly  biodegradable  so  they  are  not  removed  by 

conventional  treatment at municipal wastewater  treatment plants  (MWWTPs), 

and therefore advanced treatment technologies are required [1]. 

Advanced oxidation processes (AOPs) which involve the formation of highly 

reactive  species  such  as  hydroxyl  radical  ( HO ),  have  demonstrated  their 

efficiency  to degrade many ECs  transforming  them  into harmless products  [4]. 

Among  these  AOPs,  photocatalytic  ozonation,  i.e.  the  combination  of 

photocatalytic oxidation and ozone processes, can greatly enhance  the  rates of 

ECs  degradation  and,  specially,  the  mineralization  achieved  by  the  single 

processes [5‐7]. In fact, a synergistic effect has been observed between ozone and 

irradiated photocatalyst due to both the strong electron trapping effect of ozone, 

that avoids, to some extent, the electron‐hole recombination process, and to the 

reaction of ozone with the superoxide ion radical ( 2O ), intermediate species in 

photocatalytic  reactions.  In  these  two  steps  the  ozonide  ion  radical  ( 3O )  is 

generated and  further  transformed  intoHO ,  thus  increasing  the  concentration 

of this highly reactive species in the aqueous medium [5,8,9]. 

One  of  the  most  important  aspects  in  the  application  of  photocatalytic 

wastewater treatment technologies is the cost derived from the radiation source 

operation and maintenance. The use of solar energy as radiation source avoids 

this drawback  leading  to more  economic  technologies  [10]. However, most of 

the  photocatalytic  ozonation  studies  conducted  to  date make  use  of  TiO2  as 

photocatalyst that only uses around 5 % of solar radiation (UV range). Different 

methods  to  solve  this  limitation, mainly  applied  to  ozone‐free  photocatalytic 

Page 254: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

238 

 

oxidation processes, have been developed, such as  ion doping, modification of 

TiO2  surface  with  noble  metals,  metal  ion  implantation  or  coupling 

semiconductors  [10,11].  In  this  line,  composite materials  of  coupled WO3  and 

TiO2 semiconductors can extend the absorption of radiation to the visible region 

as a result of the lower band gap energy of WO3 (around 2.7 eV), and also allow 

a wide  electron‐hole  separation  avoiding  recombination  to  some  extent  [11]. 

TiO2‐WO3  coupled  semiconductors  have  been  successfully  applied  to  the 

degradation of different organic contaminants  in water  through photocatalytic 

oxidation  under  visible  light  radiation  [12‐16].  In  addition,  these  materials 

combined  with  gold  nanoparticles  have  also  been  tested  for  photocatalytic 

ozonation  of model  compounds  such  as  oxalic  acid  and  2,4,6‐trinitrotoluene 

(TNT) giving place to promising results [17,18]. 

This work  has  been  focused  on  the  use  of  different  TiO2‐WO3  composite 

catalysts to extend the radiation absorption to visible light and make better use 

of  the  solar  emission  spectrum  in photocatalytic ozonation process  applied  to 

wastewater  detoxification.  Two  different  TiO2  supports,  commercial  TiO2  P25 

and  own‐made  titanate  nanotubes, which  present  very  different  textural  and 

structural properties, have been used. The synthetized materials were tested  in 

photocatalytic  ozonation  of  ibuprofen  (IBP),  metoprolol  (MTP)  and  caffeine 

(CAF)  spiked  in  a municipal wastewater  effluent  from  a  secondary  treatment 

and  using  simulated  solar  light  as  radiation.  These  contaminants,  IBP,  a 

nonsteroidal anti‐inflammatory drug for pain relief and fever reduction; MTP, a 

β‐blocker used  for several cardiovascular diseases; and CAF, a stimulant drug 

mainly  from coffee consumption, have been  selected because of  their  frequent 

presence in municipal wastewater [2]. 

7.2. EXPERIMENTAL SECTION 

7.2.1. Catalysts preparation 

Aeroxide TiO2 P25 (anatase/rutile 80/20, 21 nm crystal size) was used as the 

Page 255: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

239 

 

starting  photocatalytic  material.  The  procedure  to  obtain  titanate  nanotubes 

catalyst  (NT)  has  been  reported  in  previous works  [19,20]. Briefly,  1  g  of  the 

precursor P25 was hydrothermally treated at 130 °C in 70 mL of 10 M NaOH in a 

Teflon‐lined autoclave, during 48 h. The mixture was stirred for 30 min before 

and after  the  thermal  treatment.  In a second stage, the obtained powders were 

thoroughly washed using diluted HCl. The powders were  recovered  from  the 

solution by  centrifugation, dried  at  100  °C overnight  and  then  calcined  in  air 

atmosphere for 3 h at 350 °C. 

P25 and NT photocatalysts were coated with nanosized WO3 particles (P25‐

WO3  and NT‐WO3  samples)  as described  elsewhere  [18]. First  0.216 g H2WO4 

were added to 100 mL of ultrapure water and then aqueous ammonia solution 

was added drop wise until the tungstic acid was completely dissolved. Further 5 

g of P25 or NT were added under continuous stirring and the obtained mixture 

was stirred for 30 min and then acidified to pH = 4 with 0.5 M HCl. Then 10 mL 

of an aqueous solution of oxalic acid 0.1 M was added to the mixture and stirred 

for 1 h at 40 °C  to prevent  the aggregation of WOX particles  in  the precipitate. 

Finally,  the solid was  recovered by  filtration, dried at 110  °C  for 2 h and  then 

calcined in air atmosphere for 2 h at 420 °C. The TiO2‐WO3 thus prepared had a 

theoretical amount of WO3 of 3.8 wt. %. For comparative purposes, NT was also 

calcined in air atmosphere for 2 h at 420 °C (sample NT‐T). 

7.2.2. Characterization 

Total tungsten content of the catalysts was analyzed by inductively coupled 

plasma with an ICP‐OES Optima 3300DV (Perkin‐Elmer) after acidic microwave 

digestion of the samples. 

BET  surface  area  and  pore  volume  of  the  photocatalysts were determined 

from their nitrogen adsorption–desorption  isotherms obtained at  ‐196 °C using 

an Autosorb  1  apparatus  (Quantachrome). Prior  to  analysis  the  samples were 

outgassed at 250 °C for 12 h under high vacuum (< 10−4 Pa).  

Page 256: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

240 

 

The crystalline phases present in the photocatalysts were inferred from their 

X‐ray diffraction  (XRD) patterns recorded using a powder Bruker D8 Advance 

XRD  diffractometer with  a Cu Kα  radiation  (λ  =  0.1541  nm).  The  data were 

collected from 2θ = 20° to 80° at a scan rate of 0.02 s−1 and 1 s per point. 

A  JEM‐2100F  200  kV  transmission  electron microscope  (JEOL  Ltd.)  and  a 

TEM Tecnai G20 Twin 200 kV transmission electron microscope (FEI Company) 

were used to study the crystallinity and morphology of the samples. 

Raman spectra were obtained using a Nicolet Almega XR Dispersive micro‐

Raman  (Thermo  Scientific) with  a  spectral  resolution  of  2  cm‐1.  The  samples 

were  excited  at  633  nm with  the  laser  beam  power  at  100 %  and  200  scans 

accumulation. 

X‐ray photoelectron spectra (XPS) were obtained with a Kα Thermo Scientific 

apparatus with an Al Kα (h = 1486.68 eV) X‐ray source using a voltage of 12 kV 

under vacuum  (2x10−7 mbar). Binding  energies were  calibrated  relative  to  the 

C1s  peak  at  284.6  eV.  The  resulting  XPS  peaks  were  curve‐fitted  to  a 

combination  of  Gaussian  and  Lorentzian  functions  using  a  Shirley  type 

background for peak analysis. 

Diffuse reflectance UV‐Vis spectroscopy (DR‐UV‐Vis) measurements, useful 

for  the determination of  the  semiconductor band gap, were performed with a 

UV‐Vis‐NIR  Cary  5000  spectrophotometer  (Varian‐Agilent  Technologies) 

equipped with an integrating sphere device. 

7.2.3. Catalytic activity measurements 

Ibuprofen  sodium  salt  (IBP), metoprolol  tartrate  (MTP)  and  caffeine  (CAF) 

were used as target contaminants to test the catalytic activity of the synthesized 

materials.  They were  added  to  a  real municipal wastewater  effluent  (MWW) 

taken from Badajoz MWWTP (Badajoz, Spain) designed for 225,000 inhabitants 

(population equivalent) with an average  inlet flow of 37,500 m3 day‐1. Effluents 

Page 257: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

241 

 

were  collected  downstream  of  the MWWTP  secondary  biological  treatment, 

filtered and stored at ‐20 °C until use. 

Photocatalytic  experiments  were  carried  out  in  semi‐batch  mode  in  a 

laboratory‐scale  system  consisting  of  a  0.5  L  glass‐made  spherical  reactor, 

provided with a gas  inlet, a gas outlet and a  liquid sampling port. The reactor 

was placed in the chamber of a commercial solar simulator (Suntest CPS, Atlas) 

provided with  a  1500 W  air‐cooled  Xe  arc  lamp with  emission  restricted  to 

wavelengths over 320 nm using quartz, glass and polyester  cut‐off  filters. The 

irradiation  intensity was kept at 550 W m−2 and  the  temperature of  the system 

was maintained between 20 and 40 °C throughout the experiments. If required, 

a  laboratory  ozone  generator  (Anseros  Ozomat  Com  AD‐02)  was  used  to 

produce a gaseous ozone‐oxygen stream that was fed to the reactor. In that case, 

the ozone concentration was monitored by an Anseros Ozomat GM‐6000Pro gas 

analyzer. A scheme of the experimental set‐up is depicted in Figure 7.1. 

 

Figure 7.1. Scheme of the experimental set‐up. 

In a typical photocatalytic ozonation experiment, the reactor was first loaded 

with 0.5 L of the MWW effluent containing 2 mg L‐1 of each EC. Then, 0.25 g of 

the catalyst were added and the suspension was stirred  in the dark for 30 min 

while bubbling air into the system. After this dark stage, the lamp was switched 

on  and,  simultaneously,  a  mixture  of  ozone‐oxygen  (10  mg  L‐1  ozone 

concentration) was  fed  to  the reactor at a  flow rate of 20 L h−1. The  irradiation 

time for each experiment was 2 h. Samples were withdrawn from the reactor at 

Page 258: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

242 

 

intervals  and  filtered  through  a  0.2  μm  PET  membrane  to  remove  the 

photocatalyst particles.  

Experiments of adsorption  (i.e., absence of radiation and ozone), photolysis 

(i.e., radiation  in absence of catalysts and ozone), photocatalytic oxidation  (i.e., 

radiation and catalyst in absence of ozone), ozonation (i.e., absence of radiation 

and  catalyst),  and  catalytic  ozonation  (i.e.,  absence  of  radiation)  were  also 

carried out for comparative analysis. In addition, some photocatalytic oxidation 

experiments of IBP were carried out under visible radiation using a UV cut‐off (λ 

< 390 nm) polyester filter. 

ECs concentrations were analyzed by HPLC‐DAD  (Hitachi, Elite LaChrom) 

using  a  Phenomenex  C‐18  column  (5  μm,  150 mm  long,  3 mm  diameter)  as 

stationary phase and 0.5 mL min−1 of acetonitrile‐acidified water (0.1 % H3PO4) 

as mobile phase (from 5 % to 60 % in acetonitrile during 25 min and 10 min re‐

equilibration time). Identification and quantification was carried out at 220 nm. 

Total organic carbon  (TOC) and  inorganic carbon  (IC) were measured using a 

Shimadzu  TOC‐VSCH  analyzer. Aqueous  ozone was measured  following  the 

indigo  method  using  a  UV‐Vis  spectrophotometer  (Evolution  201, 

Thermospectronic) set at 600 nm [21]. Ozone in the gas phase was continuously 

monitored  by  means  of  an  Anseros  Ozomat  GM‐6000Pro  analyzer.  Finally, 

chemical oxygen demand  (COD) was determined by means of  the dichromate 

method  using Dr.  Lange  cuvette  test,  biological  oxygen  demand  (BOD5) was 

analyzed  by  the  respirometric  method  using  an  Oxitop®  WTW  system, 

aromaticity as the absorbance of the sample at 254 nm and phosphates by means 

of  colorimetric  methods  using  a  Merck  Spectroquant  kit  (UV‐Vis 

spectrophotometry, Evolution 201 from Thermospectronic). 

 

 

 

Page 259: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

243 

 

7.3. RESULTS AND DISCUSSION 

7.3.1. Characterization of the photocatalysts 

Table 7.1 summarizes tungsten content, some textural parameters, band gap 

energy and absorption edge wavelength of the photocatalysts. It can be seen that 

the W mass composition (expressed as WO3) of the TiO2‐WO3 catalysts was close 

but somewhat higher to the nominal value expected (3.8 wt. %). 

Table 7.1. Properties of the catalysts. 

CATALYST WO3 

(wt. %) 

SBET 

(m2 g‐1) 

VP 

(cm3 g‐1) 

WXPS 

(at %) 

Eg 

(eV) 

λ 

(nm) 

P25  ‐‐‐  52  0.25  ‐‐‐  3.19  389 

P25‐WO3  4.1  49  0.28  1.6  3.05  407 

NT  ‐‐‐  320  1.39  ‐‐‐  3.18  390 

NT‐WO3  4.5  195  1.17  0.9  2.98  416 

NT‐T  ‐‐‐  208  1.19  ‐‐‐  ‐‐‐  ‐‐‐ 

 

Figure 7.2 shows N2 adsorption‐desorption isotherms where it can be noticed 

that  P25  based  catalysts  are  non‐porous  materials  with  type  II  isotherms 

whereas NT  catalysts  presented  type  IV  isotherms with H3  hysteresis  loops 

characteristics of mesoporous solids, according to IUPAC classifications [22]. On 

the other hand,  the  incorporation of W did not  change  the  isotherm aspect of 

these photocatalysts respect to their supports. Main differences are observed for 

NT catalysts where the procedure of W incorporation has changed the slope and 

shifted  the  hysteresis  loop  in  NT‐WO3  respect  to  NT,  indicating  a  lower 

porosity. This is mainly related to the heat‐treatment applied, as can be deduced 

from the similarity of the isotherms of NT‐T and NT‐WO3. Calcination at 420 °C 

triggers structural changes as discussed below [20]. From these analyses, specific 

surface area (SBET) and pore volume (VP) were calculated (see Table 7.1). As can 

be observed P25 based catalysts show SBET values according to that indicated by 

Page 260: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

244 

 

the supplier for P25 (around 50 m2 g‐1), and similar pore volume around 0.25 m3 

g‐1. Thus, the incorporation of W and calcination of the composite material does 

not significantly affect its textural properties. On the other hand, NT presented 

higher SBET and pore volume, according  to  its mesoporous  structure as  it was 

previously reported for similar materials [20]. In this case, the  incorporation of 

W has favored a decrease  in  the surface area and pore volume of  the NT‐WO3 

catalyst mainly due to the calcination step, although some pore blockage after W 

deposition  cannot  be  disregarded  according  to  the  lower  values  of  textural 

parameters of this catalyst respect to the NT‐T sample. 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

200

400

600

800

1000

1200

N2

AD

SO

RB

ED

VO

LU

ME

(cm

3 g-1

)

P/P0

P25 P25-WO

3

NT NT-WO

3

NT-T

        

 Figure 7.2. N2 adsorption‐desorption isotherms of the catalysts.

Structural characterization of the photocatalysts was accomplished by means 

of XRD, TEM and Raman analyses and the results are depicted in Figure 7.3 to 

Figure 7.5, respectively. P25 based catalysts gave place to similar XRD patterns 

with main diffraction peaks attributable  to anatase and rutile TiO2 phases. The 

absence of peaks attributable to W species could be due to the low content in the 

catalysts and/or to the high dispersion of W. This was also confirmed, as Figure 

Page 261: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

245 

 

7.4 shows, by TEM micrographs where W particles were undistinguishable.  In 

addition,  heat‐treatment  applied  to  P25‐WO3  photocatalyst  does  not  produce 

any  significant  change  in  the  TiO2  structure.  Regarding NT  photocatalyst,  a 

shifted diffraction peak position at 24.9° respect to 25.4° for anatase is observed, 

indicating  a  titanate  structure  [20].  TEM micrograph  confirmed  nanotubular 

morphology for NT sample (Fig. 7.4). On the other hand, the incorporation of W 

(NT‐WO3  photocatalyst)  led  to  a  transformation  of  the  titanate  structure  into 

anatase  as  evidenced  by  the  shift  of  the  corresponding diffraction peaks  (e.g. 

most intense from 24.9° to 25.3°) together with an increase in their intensity. This 

transformation  is mainly  related  to  the  calcination  step  at  420  °C  as  the XRD 

pattern and TEM micrograph of  the NT‐T sample  (subjected  to  the same heat‐

treatment) confirmed, and also according to the results reported elsewhere [20]. 

TEM  micrographs  corroborated  the  transformation  of  titanate  nanotubular 

structures to elongated anatase particles (Fig. 7.4). Fig. 7.5 shows Raman spectra 

of TiO2‐WO3 photocatalysts.  In Fig. 7.5(A) vibration peaks at 395, 517 and 638 

cm‐1  were  observed  in  both  catalysts  (P25‐WO3  and  NT‐WO3)  which  are 

unambiguously attributed  to anatase phase of TiO2 [23,24]. On  the other hand, 

only for P25 based material, rutile phase is observed as a broad peak at 448 cm‐1 

according  to  the P25 structural composition  [23,24]. These  results also confirm 

the  transformation  of  titanate  structure  into  anatase  after  the  calcination  step 

[20].  The  lowest  intensity  observed  in  the  Raman  spectra  for  the  anatase 

vibrations  can  be  related  to  the  lowest  crystallinity  of NT‐WO3  photocatalyst 

according  to XRD  results  [23]. On  the  other  hand,  Fig.  7.5(B)  shows main W 

contributions  to  the  Raman  spectra.  The  band  located  around  792  cm‐1 

corresponds to weak second‐order feature of anatase assigned to the first over‐

tone  band  at  395  cm‐1  [25]. At  around  954  cm‐1  appears  another  contribution 

assigned to the stretching mode of terminal W=O bond which is characteristic of 

two‐dimensional  tungsten  oxide  surface  species WOX  [25,26].  In  addition,  the 

weak band located at around 1042 cm‐1 could be related to the presence of WOX 

species  in  tetrahedral coordination  [27]. The observed contributions at 954 and 

Page 262: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

246 

 

1042 cm‐1 together with the absence of any signal close to 800 cm‐1 suggest that 

added W does  not  contribute  to  the  formation  of  crystalline WO3  [27]. These 

results are  in a good agreement with XRD and TEM observations. Again  it  is 

noteworthy the lowest intensity of the NT‐WO3 spectrum as commented above.  

20 30 40 50 60 70 80

NT-T

R

AA

RR

AA

A

INT

EN

SIT

Y (

a.u

.)

2 (o)

P25

P25-WO3

NT

NT-WO3

A

R

  

Figure 7.3. XRD patterns of the catalysts. Crystalline phases detected: Anatase (A); Rutile 

(R). 

 

 

Page 263: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

247 

 

Figure 7.4. TEM images of the catalysts. 

Page 264: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

248 

 

 

Figure 7.5. Raman spectra of P25‐WO3 and NT‐WO3 photocatalysts. 

Surface  chemical  composition  of  the  catalysts was  analyzed  by  XPS.  Full 

spectra depicted in Figure 7.6(A‐D) confirm the presence of O, Ti and C in all the 

samples  (O1s,  Ti2p  and C1s  peaks).  In  addition,  the  peaks  of W4d  and W4f 

spectral  regions  appear  in  the  full  spectra  of  the  TiO2‐WO3  photocatalysts 

confirming  the presence of W  in  their surfaces. No N signal was detected  thus 

confirming  the  absence  of  N‐doping  effect  due  to  the  NH3  used  for  the 

incorporation  of W  in  the  composite  catalysts. The  surface  content  of W was 

calculated from peak areas and Wagner atomic sensitive factors [28]. Results are 

summarized in Table 7.1 where it can be noticed a lower W surface content for 

the NT‐WO3  catalyst.  This  could  be  related  to  the  higher  porosity  of  the NT 

sample which can  favor  the  incorporation of W  in  inner regions of  the porous 

structure. On the other hand, Fig. 7.6(E) shows the high‐resolution Ti2p spectral 

region of P25‐WO3 catalyst as an example. The binding energy of the Ti2p1/2 and 

Ti2p3/2  core  levels  at  464.7  eV  and  459.0  eV,  respectively,  together with  their 

separation of 5.7 eV confirm  the valence state of Ti as Ti4+  in TiO2  [29,30]. Fig. 

7.6(F) displays the high‐resolution and peak‐fitting results of W4f and Ti3p XPS 

spectra  of  P25‐WO3  catalyst  as  an  example.  Analysis  of  the  W4f  region  is 

750 875 1000 1125 1250

1042

954

P25-WO3

NT-WO3

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)RAMAN SHIFT (cm-1)

792

300 400 500 600 700

448

638

517

INT

EN

SIT

Y (

a.u.

)

RAMAN SHIFT (cm-1)

P25-WO3

NT-WO3

395

(A)

(B)

Page 265: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

249 

 

complicated due  to  the  interference  from  the Ti3p  level of  the TiO2. However, 

the position of the Ti3p peak can be fixed and its area calculated from the Ti2p 

peaks  areas  [28].  This makes  possible  to  distinguish  between  the  two  signals 

(Ti3p and W4f) by deconvolution procedure, and to determine the valence of W 

from  the position of  the W4f  level. The binding energy of  the peaks  located at 

37.8 eV and 35.7 eV corresponds to W4f5/2 and W4f7/2 components, respectively, 

and  their  area  ratio of  3:4  confirms  the presence of W  as W6+  in WO3  [18,30]. 

Similar results were obtained for NT‐WO3 catalyst (not shown). 

The  diffuse  reflectance  UV‐Vis  spectra  of  the  photocatalysts  (Figure  7.7) 

showed a higher optical absorbance in the visible region (above ca. 400 nm) for 

TiO2‐WO3 catalysts due  to  the WO3  loading. The optical energy band gap  (Eg) 

was calculated by means of Tauc’s expression and these results are summarized 

in Table 7.1 together with the wavelength of absorption edge. These values are 

approximate due to the need of extrapolation of the resulting curve (not shown). 

However  a  value  of  3.19  eV was  calculated  for P25  catalyst  similar  to  3.2  eV 

previously  reported  for bare TiO2  [11].  It  is noticeable a decrease of band gap 

energy by coupling  the TiO2 with WO3  from ca. 3.2 eV  to 3.05 eV and 2.98 eV 

calculated  for  P25‐WO3  and  NT‐WO3  catalysts,  respectively,  which  is  in 

agreement to previously reported values for similar materials [15]. These results 

indicate that both P25‐WO3 and NT‐WO3 can be promising photocatalysts to be 

used under visible light. 

 

 

 

 

Page 266: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

250 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.6. XPS full spectra of the catalysts (A, B, C and D). High‐resolution XPS spectra 

of Ti2p (E) and Ti3p/W4f (F) spectral regions of P25‐WO3 catalyst. 

 

600 500 400 300 200 100 0

NT-WO3

Ti3pW4f

W4dC1s

Ti2p

O1s

BINDING ENERGY (eV)

600 500 400 300 200 100 0

NT

Ti3pC1s

Ti2p

O1s

CP

S (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

600 500 400 300 200 100 0

Ti3pW4fC1s

Ti2p

O1s P25-WO3

BINDING ENERGY (eV)

W4d

600 500 400 300 200 100 0

CP

S (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

P25O1s

Ti2p

C1sTi3p

468 464 460 456

Ti2p3/2

459.0

CP

S (

a.u.

)

BINDING ENERGY (eV)

Ti2p1/2

464.7

5.7 eV

42 40 38 36 34 32

W4f7/2

35.7

Ti3p37.3

W4f5/2

37.8

BINDING ENERGY (eV)

(A) (B)

(C) (D)

(E) (F)

Page 267: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

251 

 

300 350 400 450 500 550 6000.0

0.5

1.0

1.5

AB

SO

RB

AN

CE

(u.

a.)

WAVELENGTH (nm)

P25

P25-WO3

NT

NT-WO3

Figure 7.7. DR UV–Vis spectra of the catalysts. 

7.3.2. Visible light response of the photocatalysts 

The effectiveness of the catalysts  in the use of visible  light was tested using 

IBP as target compound by cutting off the wavelengths lower than 390 nm of the 

Xe lamp in the solar simulator. Results of photocatalytic depletion of IBP and its 

mineralization with all the catalysts synthetized are presented in Figure 7.8. 

Regarding  IBP  depletion  (Fig.  7.8(A)),  once  confirmed  the  absence  of  IBP 

degradation  through  direct  photolysis  as  expected  according  to  its  UV‐Vis 

absorption spectrum, it can be noticed the positive effect of WO3 loading on the 

photocatalytic activity of TiO2‐WO3 photocatalysts under visible light irradiation 

compared to bare TiO2. In addition,  it  is noticeable the  lowest IBP degradation 

rate with the sample NT‐T, thus indicating that the heat‐treatment and different 

structural properties  of  calcined NT  are  not  responsible  for  the  high  catalytic 

activity of  the NT‐WO3 photocatalyst. Also, once  the N‐doping effect has been 

ruled out,  the enhancement observed  in  the photocatalytic activity of  the WO3 

coupled materials can be related to the lowest band gap energy observed (Table 

7.1) due to WO3 presence, which makes them easily excited by visible light [15]. 

Page 268: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

252 

 

In  addition,  the  presence  of WO3  can  promote  the  charge  transfer  between 

photogenerated  electrons  from  the  conduction  band  of  TiO2  to  the  WO3 

conduction band, accompanied by holes transfer from the valence band of WO3 

to the TiO2 valence band. The charge separation mechanism has been previously 

reported  [15,17,18,27],  and  provokes  an  increase  in  the  lifetime  of  the 

photogenerated electron/hole pair avoiding its recombination to some extent. As 

a consequence of both higher visible  light absorption and  lower recombination 

rate,  the  photonic  efficiency  (i.e.  reacted  molecules/incident  photons)  of  the 

photocatalytic  process  is  increased.  The  improvement  of  composite materials 

respect their corresponding TiO2 was higher for NT‐WO3 photocatalyst than for 

P25‐WO3. Taking into account that NT‐T sample led to a lower degradation rate 

than  NT,  the  formation  of  elongated  anatase  particles  from  the  titanate 

structures seems not to be the reason of this behavior. Thus,  it seems plausible 

that NT material presented a better distribution and higher dispersion of WO3 

particles since also offered a developed porous structure and higher surface area 

than P25  together with  a  large  ion‐exchange  capacity  [19,20]. This  hypothetic 

higher dispersion together with the slightly higher amount of WO3 in NT‐WO3 

(Table 7.1) could be  the reasons of  the highest visible  light absorption capacity 

and  hence  the  improvement  in NT‐WO3  photocatalytic  activity  compared  to 

P25‐WO3,  although  additional  characterization  analysis  confirming  this 

hypothesis would be needed. 

Regarding TOC evolution (Fig. 7.8(B)) it is noticeable the mineralization rate 

observed with  the NT‐WO3 photocatalyst  reaching  40 % TOC  removal  in  2 h 

whereas P25‐WO3 did not show a significant mineralization degree. These and 

the  previous  results  point  out  the  highest  photocatalytic  activity  of NT‐WO3 

photocatalyst under visible light radiation. 

 

 

Page 269: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

253 

 

 

Figure  7.8.  Time  evolution  of  IBP  dimensionless  concentration  (A)  and  dimensionless 

TOC (B) during photocatalytic oxidation under visible light radiation (λ = 390 ‐ 800 nm). 

Conditions: pH = 6.5 T = 20 ‐ 40 °C, CIBP,0 = 5 mg L‐1, CCAT = 0.5 g L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O2). 

7.3.3. Photocatalytic degradation of ECs in MWW 

The  effectiveness  of  the  photocatalysts  in  a more  realistic  application was 

studied using  a MWW  effluent  as  aqueous matrix  spiked with  IBP, MTP and 

CAF. The average values of the main MWW secondary effluent parameters are 

summarized  in  Table  7.2.  It  can  be  highlighted  the  amount  of 

carbonate/bicarbonate as inorganic carbon (IC) and their buffer role maintaining 

the pH of the reaction medium around pH = 8.3. 

Regarding the process applied, Table 7.3 summarizes the main results of ECs 

removal  at  120 min upon  the  treatments  tested,  together with  Figure  7.9  and 

Figure 7.10 that show the time‐evolution of ECs and TOC respectively, only for 

NT‐WO3 catalyst as an example. It can be noticed that direct photolysis exerts no 

effect on the case of IBP removal and only 5 and 7 % removal was observed for 

CAF  and MTP,  respectively.  The  time‐evolution  of  ECs  concentration  during 

photolysis  is also shown  in Fig. 7.9. Although  these compounds do not absorb 

radiation  in  the  wavelength  range  used  in  this  work, MWW  content  could 

provoke  indirect  photolysis  reactions  [31,32].  The  insignificant mineralization 

during photolysis can be observed  in Fig. 7.10 and  the  low value of  final TOC 

-30 0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

Dark

-30 0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Photolysis P25 NT P25-WO3

NT-WO3

NT-T

TO

C/T

OC

0

TIME (min)

Dark

0

0

CT

OC

/CT

OC

,0

Page 270: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

254 

 

removal is also presented in Table 7.4. Taking into account that the contribution 

of the initial concentration of ECs to the initial TOC content is around 10 % (3.7 

mg L‐1),  the mineralization observed would be mainly associated  to  the MWW 

TOC content. 

Table  7.2.  Characterization  of MWW  effluent  before  and  after  some  treatments with              

NT‐WO3 catalyst (t = 120 min). 

PARAMETER Before 

treatment* 

Photocatalytic 

oxidation Ozonation 

Catalytic 

ozonation 

Photocatalytic 

ozonation 

TOC 

 (mg C L‐1) 35.3  22.8  26.9  20.2  12.8 

IC  

(mg C L‐1) 42.0  40.1  38.3  41.5  36.4 

pH  8.31  8.34  8.29  8.28  8.33 

Absorbance 

254 nm 0.253  0.164  0.116  0.058  0.017 

COD           

(mg O2 L‐1) 51  46  41  33  17 

BOD5           

(mg O2 L‐1) 32  n.m  n.m  n.m  n.m 

Phosphate 

(mg L‐1) 4  n.m  n.m  n.m  n.m 

*Average values between all batches 

n.m. not measured 

Regarding the adsorption capacity of the catalysts, none of them gave place 

to ECs removal higher than 10 % (Table 7.3). It is noticeable that no significant 

changes are observed in terms of ECs adsorption either due to W incorporation 

or textural properties modification in NT series, although the modification of the 

adsorption  capacity  of  these  materials  has  been  reported  elsewhere  [18]. 

However, a different behavior is observed for the organic matter content of the 

MWW since  the adsorption capacity of  the catalysts  increased around 15 %  in 

both series, P25 and NT, after W incorporation (see values in Table 7.4). It is also 

noticeable a  somewhat higher adsorption  capacity  in NT  series  respect  to P25 

due to its more developed porous structure. The fact that NT series, in which a 

significant  decrease  in  textural  parameters  was  observed  after  calcination, 

presented  the  same  increase  in  adsorption  capacity  than P25  series points out 

Page 271: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

255 

 

that this phenomenon is mainly related to the W species in the catalysts surface. 

In fact, it has been reported that the presence of a monolayer of WOX species on 

TiO2  can  significantly  increase  the  surface  acidity  leading  to  the  fact  that 

composite materials TiO2‐WO3 can adsorb more organic reactants [18,33]. 

Table 7.3. ECs removal (%) after 120 min reaction upon the different treatments applied. 

TREATMENT  EC  No catalyst 

Photolysis 

IBP  0 

CAF  5 

MTP  7 

TREATMENT  EC  P25  P25‐WO3  NT  NT‐WO3 

Adsorption 

IBP  7  8  10  7 

CAF  8  7  4  6 

MTP  6  8  8  6 

Photocatalysis 

IBP  73  76  28  70 

CAF  77  79  31  82 

MTP  92  90  61  91 

TREATMENT  EC  No catalysts/All catalysts 

Ozonation 

Catalytic ozonation 

Photocatalytic ozonation 

IBP 

> 99.9 CAF 

MTP 

 

 

 

 

Page 272: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

256 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

Dark

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CC

AF/C

CA

F,0

TIME (min)

Dark Adsorption Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonation

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CM

TP/C

MT

P,0

TIME (min)

Dark

 

 

 

 

Figure 7.9. Time evolution of ECs dimensionless concentration during all the treatments 

applied  to MWW effluent under simulated solar  light radiation  (λ = 320  ‐ 800 nm) and 

NT‐WO3 catalyst. Conditions: pH = 8.3, T = 20  ‐ 40 °C, CEC,0 = 2 mg L‐1, CCAT = 0.5 g L‐1, 

CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O2 or O3/O2). 

Page 273: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

257 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

Dark

Adsorption Photolysis Photocatalytic oxidation Ozonation Catalytic ozonation Photocatalytic ozonation

 

Figure  7.10.  Time  evolution  of  TOC  dimensionless  concentration  during  all  the 

treatments applied to MWW effluent under simulated solar light radiation (λ = 320 ‐ 800 

nm) and NT‐WO3 catalyst. Conditions: pH = 8.3, T = 20 ‐ 40 °C, CEC,0 = 2 mg L‐1, CCAT = 0.5 

g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O2 or O3/O2).

Table 7.4. TOC removal (%) after 120 min reaction for the different treatments applied. 

TREATMENT  No catalysts 

Photolysis  4 

Ozonation  31 

TREATMENT  P25  P25‐WO3  NT  NT‐WO3 

Adsorption  3  17  9  23 

Photocatalysis  37  42  31  37 

Catalytic 

ozonation 23  48  39  47 

Photocatalytic 

ozonation 47  55  42  64 

 

For  the photocatalytic oxidation process with P25 series, as shown  in Table 

Page 274: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

258 

 

7.3  the  incorporation of W did not give place  to higher ECs removal, attaining 

around 75, 80 and 90 % for IBP, CAF and MTP, respectively, with both P25 and 

P25‐WO3  catalysts.  In  spite  of  the  improvement  observed  by  introducing W 

when  irradiated with visible  light, bare P25 presents a higher catalytic activity 

under UVA radiation and thus, if the entire simulated solar light spectrum (320 ‐ 

800 nm) is used, the beneficial effect of W is not noticeable. Similar results were 

observed  in  terms of mineralization  (evolution not shown,  final value given  in 

Table  7.4).  On  the  contrary,  NT  photocatalyst  showed  the  poorest  behavior 

during the reaction but a significant increase in the photocatalytic activity of NT‐

WO3  respect  to NT precursor was noticed. Thus,  in  this  case ECs  conversions 

around  70,  80  and  90 %  for  IBP, CAF  and MTP,  respectively, were  achieved, 

similar to those reached in P25 series. In addition, regardless of the catalyst used 

the order of  reactivity during photocatalytic oxidation was MTP > CAF >  IBP, 

different  to  that of  the  rate constants of  the direct  reaction between  these ECs 

and hydroxyl radicals, HO , (kHO∙‐IBP = 7.4x109 M‐1 s‐1 [34], kHO∙‐CAF = 5.9x109 M‐1 s‐1 

[35], kHO∙‐MTP = 2.1x109 M‐1 s‐1 [36]). This may be an indicator that HO  is not the 

only  responsible  of  ECs  removal  and  other  different ways  such  as  direct  h+ 

oxidation can be taking place. 

All the ozone treatments led to complete ECs depletion in less than 45 min of 

reaction time (conversion higher than 99.9 %) regardless of the presence/absence 

of catalysts and/or radiation  in contrast to photocatalytic oxidation. Both direct 

and indirect ozone reactions may take place according to the pH of the reaction 

medium (pH = 8.3) that was kept constant throughout the reaction time due to 

the buffering capacity of the MWW. On the other hand, slight differences can be 

noticed among ozone processes with a different behavior mainly depending on 

the rate constant of the direct ozone‐EC reaction (kO3‐IBP = 9.1 M‐1 s‐1 [37], kO3‐CAF = 

6.5x102 M‐1 s‐1 [35], kO3‐MTP = 6.2x103 M‐1 s‐1 (pH = 8) [38]). Although photocatalytic 

ozonation gave place to a faster ECs depletion rate, it is noticeable in Fig. 7.9 that 

the  differences  between  ozone‐based  processes  are  only  significant  for  IBP 

whose direct ozone reaction presents the lowest rate constant, being practically 

Page 275: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

259 

 

negligible in the case of CAF and MTP. Main differences between ozone and O3‐

catalytic processes were obtained in terms of TOC removal as shown in Table 7.4 

and Fig. 7.10. Ozone alone  led  to  31 % mineralization mainly during  the  first 

minutes of reaction and then stopped likely due to the formation of compounds 

refractory  to  ozone  attack.  Production  of  HO , main  responsible  species  for 

mineralization, seems to be insufficient at pH = 8.3 in the ozonation process. The 

degree of mineralization decreased  in  the presence of P25. This material does 

not  exert  any  positive  effect  in  catalytic  ozonation  leading  to  even  lower 

mineralization than ozone alone probably due to an  inefficient consumption of 

O3 onto the catalyst surface. In contrast, NT slightly increased TOC removal up 

to 39 % although  it can be associated  to  the higher adsorption capacity of  this 

material since the mineralization rate is similar to that of the ozonation process 

(not shown). On the other hand, W containing photocatalysts, P25‐WO3 and NT‐

WO3, led to higher mineralization (around 47 %), with also higher TOC removal 

rate  than  ozone  alone  (see  Fig.  7.10  for NT‐WO3),  thus  indicating  a  catalytic 

effect to some extent. This improvement can be related to (1) the catalytic effect 

of WO3  and/or  (2)  the  higher  adsorption  capacity  of  TiO2‐WO3  catalysts.  The 

catalytic  activity  of  WO3  in  aqueous  ozone  decomposition,  i.e.,  catalytic 

ozonation,  has  not  been  extensively  reported,  but  some  evidences  have  been 

found.  Nishimoto  et  al.  observed  a  higher  TOC  removal  during  phenol 

ozonation with WO3  suggesting  its  role  as  an  ozonation  catalyst  in  a  similar 

manner  to MnO2 or TiO2  [39].  In  addition, WO3 has been widely used  as  the 

active  component  of  O3  gas  sensors,  in  which  O3  undergoes  dissociative 

adsorption onto  the WO3 surface  [40,41]. On  the other hand, another plausible 

explanation  for  the  catalytic  activity  of  TiO2‐WO3  catalysts  during  ozonation 

compared to bare TiO2 is the enhanced adsorption capacity due to the presence 

of WO3  [18,33].  Thus,  TiO2  has  been  widely  used  as  catalyst  for  ozonation 

processes  and  the  proposed  mechanisms  involve  surface  reactions  between 

adsorbed  O3  and  organic  compounds  [42].  The  fact  that  bare  TiO2  samples 

studied here do not show any catalytic activity in the process could be related to 

Page 276: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

260 

 

an  inefficient decomposition  of O3 due  to  the  lack of  organic matter near  the 

catalyst  surface.  However,  the  enhanced  adsorption  capacity  of  TiO2‐WO3 

catalysts can  lead  to an  increase  in  the  local concentration of organic matter  in 

the  vicinity  of  their  surface  [18],  thus  allowing  surface  reactions  between 

adsorbed O3‐organic  compounds.  Both  hypotheses  should  be  considered  but 

some additional work to clarify the prevailing mechanism is needed. Finally, the 

highest mineralization degree was obtained with  the photocatalytic ozonation 

process regardless of  the catalyst used. This  is  in agreement with  the expected 

synergistic effect between ozone and irradiated semiconductors. This synergistic 

effect is due to the reaction of O3 with the conduction band electrons of TiO2 and 

WO3, or with the superoxide ion radical generated ( ‐2O ), in both cases leading to 

the  formation  of  higher  concentrations  of  hydroxyl  radicals  ( HO ),  main 

responsible for mineralization [5,8,39]. 

On  the  other  hand,  MWW  parameters  after  the  most  representative 

treatments with NT‐WO3 catalyst are summarized  in Table 7.2. As commented 

above,  photocatalytic  ozonation  gave  place  to  higher  TOC  depletion  than 

individual  treatments.  Similar  trends  are  observed  both  for  COD  and 

aromaticity,  reaching  a  66  %  COD  reduction  in  the  combined  treatment 

compared  to  10 %  in  photocatalytic  oxidation  and  19 %  in  single  ozonation. 

Also, the effectiveness of catalytic ozonation can be observed  in terms of TOC, 

COD  and  aromaticity.  In  addition,  it  can  be  noticed  that  the  pH  remained 

unalterable after the treatments applied as a consequence of the buffer effect of 

the IC content (from carbonate/bicarbonate).  

The  comparison  of  the  catalysts  in  the  photocatalytic  ozonation  process  is 

shown  with  more  detail  in  Figure  7.11  and  Figure  7.12  which  depict  ECs 

concentration and TOC with time, respectively. 

 

 

Page 277: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

261 

 

-30 0 10 20 30 40 50 600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ozonation P25 P25-WO

3

NT NT-WO

3

CIB

P/C

IBP

,0

TIME (min)

Dark

-30 0 10 20 30 40 50 600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CM

TP/C

MT

P,0

TIME (min)

Dark

-30 0 10 20 30 40 50 600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CC

AF/C

CA

F,0

TIME (min)

Dark

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.11. Time  evolution of ECs dimensionless  concentration during ozonation  and 

photocatalytic ozonation of MWW effluent under simulated solar light radiation (λ = 320 

‐ 800 nm) for all the catalysts studied. Conditions: pH = 8.3, T = 20 ‐ 40 °C, CEC,0 = 2 mg L‐1, 

CCAT = 0.5 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O3/O2). 

Page 278: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

262 

 

-20 0 20 40 60 80 100 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ozonation P25 P25-WO

3

NT NT-WO

3

CT

OC

/CT

OC

,0

TIME (min)

Dark

Figure 7.12. Time evolution of TOC dimensionless concentration during ozonation and 

photocatalytic ozonation of MWW effluent under simulated solar light radiation (λ = 320 

‐ 800 nm) for all the catalysts studied. Conditions: pH = 8.3, T = 20 ‐ 40 °C, CEC,0 = 2 mg L‐1, 

CCAT = 0.5 g L‐1, CO3,g inlet = 10 mg L‐1, Qg = 20 L h‐1 (O3/O2). 

Again, it can be noticed that ozone alone was able to completely remove the 

ECs in a short time. Differences between ozonation and photocatalytic ozonation 

were  only  observed  for  IBP  and  CAF  depletion  according  to  the  lower  rate 

constant  of  their  direct  ozone  reactions.  In  these  cases,  indirect  and 

photocatalytic  contributions  are more  important  than  for MTP.  It  can  be  also 

noticed  the highest  catalytic activity of WO3  composite materials compared  to 

TiO2 precursors although the main differences were observed in TOC evolution 

(Fig.  7.12).  In  addition  to  their  higher  adsorption  capacity,  the  highest 

mineralization  rate was  observed  for  the  TiO2‐WO3  catalysts.  These materials 

take  the  advantage  of  using  a  greater  fraction  of  solar  light  radiation  in  the 

visible region due to the presence of WO3 as demonstrated in section 7.3.2, but 

also  a  significant  contribution  of  dark  catalytic  ozone  reactions.  The  best 

performance was attained with NT‐WO3 photocatalyst which  led to 64 % TOC 

removal. The improvement observed in the NT series after introducing the WO3 

Page 279: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

263 

 

is remarkably higher than in the P25 series, in good agreement with the results 

obtained  under  visible  light,  probably  due  to  a  better  dispersion  of WO3.  To 

elucidate  the  reaction mechanism  of  photocatalytic  ozonation  using NT‐WO3 

catalyst  it  is necessary  to consider  the different processes  involved and will be 

the subject of future work. 

7.4. CONCLUSIONS 

TiO2‐WO3 composite catalysts have been synthetized with around 4 wt. % of 

WO3  and  visible  light  response,  and  successfully  applied  for  the  removal  of 

emerging contaminants  in urban wastewater and mineralization of the effluent 

through photocatalytic ozonation. Ozone alone is able to completely remove the 

emerging contaminants in the wastewater matrix but the mineralization degree 

reached  is  relatively  low.  Photocatalytic  ozonation  gives  place  to  the  highest 

mineralization rate regardless of the catalyst used. Titanate nanotubes structure 

is  not  efficient  in  the  photocatalytic  oxidation  and  photocatalytic  ozonation 

processes, but  it  is a good precursor of  composite  catalysts due  to  its  textural 

and  surface properties. Titanate nanotubes gave place  to  a  composite  catalyst 

NT‐WO3 with  elongated  anatase  particles,  a well‐developed  porous  structure 

and high dispersion of WOX species showing visible  light absorption capacity. 

The best performance of the NT‐WO3 catalyst compared to bare TiO2 is related 

to several mixed contributions such as the use of a greater fraction of solar light 

radiation, higher organic compounds adsorption capacity and catalytic activity 

in ozone reactions. The contribution of the different phenomena to elucidate the 

reaction mechanism with this catalyst will be the subject of future work. 

AKNOWLEDGEMENTS 

This  work  has  been  supported  by  the  Spanish  Ministerio  de  Economía, 

Industria y Competitividad (MINECO) and European Feder Funds through the 

project CTQ2012‐35789‐C02‐01. Authors  acknowledge  the SACSS‐SAIUEX  and 

UAI‐ICP  for  the  characterization  analyses.  A.  Rey  thanks  the  University  of 

Page 280: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

264 

 

Extremadura  for  a  postdoctoral  research  contract.  M.D.  Hernández‐Alonso 

thanks MINECO for the award of her postpoctoral contract from the “Ramón y 

Cajal”  program.  E.  Mena  thanks  the  Consejería  de  Empleo,  Empresa  e 

Innovación (Gobierno de Extremadura) and European Social Fund for providing 

her a predoctoral FPI grant (Ref. PD12059). 

REFERENCES 

[1]  Santos,  J.L.;  Aparicio,  I.;  Callejón,  M.;  Alonso,  E.  “Occurrence  of 

pharmaceutically active compounds during 1‐year period  in wastewaters  from 

four wastewater treatment plants in Seville (Spain)”. J. Hazard. Mater. 164 (2009) 

1509‐1516. 

[2] Barceló, D.; Petrovic, M. (Eds.). “Emerging contaminants from industrial and 

municipal  wastes.  Occurrence,  analysis  and  effects”.  The  Handbook  of 

Environmental Chemistry 5‐S1. Springer, Berlin (Germany), 2008. 

[3] Halling‐Sorensen,  B.; Nors‐Nielsen,  S.;  Lanzky,  P.F.;  Ingerslev,  F.; Holten 

Lützhoft, H.C.;  Jorgensen, S.E. “Occurrence,  fate and effects of pharmaceutical 

substances in the environment‐‐a review”. Chemosphere 36 (1998) 357‐393. 

[4]  Esplugas,  S.;  Bila,  D.M.;  Krause,  L.G.T.;  Dezotti,  M.  “Ozonation  and 

advanced  oxidation  technologies  to  remove  endocrine  disrupting  chemicals 

(EDCs)  and  pharmaceuticals  and  personal  care  products  (PPCPs)  in  water 

effluents”. J. Hazard. Mater. 149 (2007) 631‐642. 

[5] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K.  “A  review  of  synergistic  effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273. 

[6] Rodríguez, E.M.; Fernández, G.; Alvarez, P.M.; Beltrán, F.J. “TiO2 and Fe (III) 

photocatalytic  ozonation  processes  of  a mixture  of  emergent  contaminants  of 

water”. Water Res. 46 (2012) 152‐166. 

[7]  Rivas,  F.J.;  Beltrán,  F.J.;  Encinas, A.  “Removal  of  emergent  contaminants: 

Integration of ozone and photocatalysis”. J. Environ. Manage. 100 (2012) 10‐15.  

[8]  Mena,  E.;  Rey,  A.;  Acedo,  B.;  Beltrán,  F.J.;  Malato,  S.  “On  ozone‐

photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced  reactions:  Oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  versus  heterogeneous  photocatalysis”. 

Chem. Eng. J. 204‐206 (2012) 131‐140. 

[9] Hernández‐Alonso, M.D.; Coronado,  J.M.; Maira, A.J.;  Soria,  J.; Loddo, V.; 

Augugliaro,  V.  “Ozone  enhanced  activity  of  aqueous  titanium  dioxide 

Page 281: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

265 

 

suspensions  for photocatalytic  oxidation  of  free  cyanide  ions”. Appl. Catal. B 

Environ. 39 (2002) 257‐267. 

[10] Malato, S.; Fernández‐Ibáñez, P.; Maldonado, M.I.; Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59. 

[11]  Hernández‐Alonso,  M.D.;  Fresno,  F.;  Suárez,  S.;  Coronado,  J.M. 

“Development  of  alternative  photocatalysts  to  TiO2:  Challenges  and 

opportunities”. Energ. Environ. Sci. 2 (2009) 1231‐1257. 

[12]  Shifu,  C.;  Lei,  C.;  Shen,  G.;  Gengyu,  C.  “The  preparation  of  coupled 

WO3/TiO2 photocatalyst by ball milling”. Powder Technol. 160 (2005) 198‐202. 

[13]  Kwon,  Y.T.;  Song,  K.I.;  Lee,  W.I.;  Choi,  G.J.;  Do,  Y.R.  “Photocatalytic 

behavior of WO3‐loaded TiO2 in an oxidation reaction”. J. Catal. 191 (2000) 192‐

199.  

[14] Tryba, B.; Piszcz, M.; Morawski, A.W. “Photocatalytic activity of TiO2‐WO3 

composites”. Int. J. Photoenergy (2009) (Article ID 297319) 1‐7.  

[15]  Ismail, M.;  Bousselmi,  L.;  Zahraa,  O.  “Photocatalytic  behavior  of WO3‐

loaded TiO2 systems in the oxidation of salicylic acid”. J. Photochem. Photobiol. 

A Chem. 222 (2011) 314‐322. 

[16]  Xiao,  M.;  Wang,  L.;  Huang,  X.;  Wu,  Y.;  Dang,  Z.  “Synthesis  and 

characterization  of  WO3/titanate  nanotubes  nanocomposite  with  enhanced 

photocatalytic properties”. J. Alloys Compd. 470 (2009) 486‐491.  

[17] Iliev, V.; Tomova, D.; Rakovsky, S.; Eliyas, A.; Li Puma, G. “Enhancement of 

photocatalytic  oxidation  of  oxalic  acid  by  gold  modified 

WO3/TiO2 photocatalysts under UV and visible  light  irradiation”.  J. Mol. Catal. 

A Chem. 327 (2010) 51‐57.  

[18] Tomova, D.;  Iliev, V.; Rakovsky, S.; Anachkov, M.; Eliyas, A.; Li Puma, G. 

“Photocatalytic oxidation of 2,4,6‐trinitrotoluene in the presence of ozone under 

irradiation with UV  and visible  light”.  J. Photochem. Photobiol. A Chem.  231 

(2012) 1‐8. 

[19] Hernández‐Alonso, M.D.; García‐Rodríguez, S.; Sánchez, B.; Coronado, J.M. 

“Revisiting  the hydrothermal  synthesis of titanate nanotubes: new  insights on 

the key factors affecting the morphology”. Nanoscale 3 (2011) 2233‐2240.  

[20]  Hernández‐Alonso,  M.D.;  García‐Rodríguez,  S.;  Suárez,  S.;  Portela,  R.; 

Sánchez,  B.;  Coronado,  J.M.  “Highly  selective  one‐dimensional  TiO2‐based 

nanostructures  for  air  treatment  applications”.  Appl.  Catal.  B  Environ.  110 

(2011) 251‐259. 

Page 282: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 7 (CHAPTER 7)   

266 

 

[21]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456. 

[22]  Sing,  K.S.W.;  Everett,  D.H.;  Haul,  R.A.W.;  Moscou,  L.;  Pierotti,  R.A.; 

Rouquerol,  J.;  Siemieniewska,  T.  “Reporting  physisorption  data  for  gas/solid 

systems  with  special  reference  to  the  determination  of  surface  area  and 

porosity”. Pure Appl. Chem. 57 (1985) 603‐619. 

[23] Yan, J.; Wu, G.; Guan, N.; Li, L.; Li, Z.; Cao, X. “Understanding the effect of 

surface/bulk defects on the photocatalytic activity of TiO2: anatase versus rutile”. 

Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 10978‐10988. 

[24]  Arabatzis,  I.M.;  Antonaraki,  S.;  Stergiopoulos,  T.;  Hiskia,  A.; 

Papaconstantinou, E.; Bernard, M.C.; Falaras, P.  “Preparation,  characterization 

and  photocatalytic  activity  of  nanocrystalline  thin  film  TiO2 catalysts  towards 

3,5‐dichlorophenol degradation”.  J. Photochem. Photobiol. A Chem. 149  (2002) 

237‐245. 

[25]  Vuurman,  M.A.;  Wachs,  I.E.;  Hirt,  A.M.  “Structural  determination  of 

supported  vanadium  pentoxide‐tungsten  trioxide‐titania  catalysts  by  in  situ 

Raman spectroscopy and x‐ray photoelectron spectroscopy”.  J. Phys. Chem. 95 

(1991) 9928‐9937.  

[26]  Santato,  C.;  Odziemkowski,  M.;  Ulmann,  M.;  Augustynski,  J. 

“Crystallographically  oriented  mesoporous  WO3 films:   Synthesis, 

characterization, and applications”. J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 10639‐10649.  

[27] Akurati, K.K.; Vital, A.; Dellemann, J.P.; Michalow, K.; Graule, T.; Ferri, D.; 

Baiker,  A.  “Flame‐made  WO3/TiO2 nanoparticles:  Relation  between  surface 

acidity, structure and photocatalytic activity”. Appl. Catal. B Environ. 79 (2008) 

53‐62.  

[28] Wagner, C.D.; Davis, L.E.; Zeller, M.V.; Taylor,  J.A.; Raymond, R.H.; Gale, 

L.H. “Empirical atomic  sensitivity  factors  for quantitative analysis by  electron 

spectroscopy for chemical analysis”. Surf. Interface. Anal. 3 (1981) 211‐225. 

[29]  Xiao, M.W.; Wang,  L.;  Huang,  X.J.; Wu,  Y.D.;  Dang,  Z.  “Synthesis  and 

characterization  of  WO3/titanate  nanotubes  nanocomposite  with  enhanced 

photocatalytic properties”. J. Alloys Compd. 470 (2009) 486‐491. 

[30] Li, Y.; Chen, L.; Guo, Y.; Sun, X.; Wei, Y. “Preparation and characterization 

of WO3/TiO2 hollow microsphere  composites with  catalytic  activity  in  dark”. 

Chem. Eng. J. 181‐182 (2012) 734‐739. 

[31]  Ryan,  C.C.;  Tan,  D.T.;  Arnold, W.A.  “Direct  and  indirect  photolysis  of 

sulfamethoxazole  and  trimethoprim  in wastewater  treatment  plant  effluent”. 

Page 283: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 5: WO3‐TiO2 based catalysts for the simulated solar radiation assisted photocatalytic  

                ozonation of emerging contaminants in a municipal wastewater treatment plant effluent 

267 

 

Water Res. 45 (2011) 1280‐1286.  

[32]  Jacobs,  L.E.;  Weavers,  L.K.;  Houtz,  E.F.;  Chin,  Y.P.  “Photosensitized 

degradation of caffeine: Role of fulvic acids and nitrate”. Chemosphere 86 (2012) 

124‐129.   

[33]  Kwon,  Y.T.;  Song,  K.Y.;  Lee,  W.I.;  Choi,  G.J.;  Do,  Y.R.  “Photocatalytic 

behavior of WO3‐loaded TiO2 in an oxidation reaction”. J. Catal. 191 (2000) 192‐

199.  

[34]  Huber,  M.M.;  Canonica,  S.;  Park,  G.Y.;  Von  Gunten,  U.  “Oxidation  of 

pharmaceuticals during ozonation and advanced oxidation processes”. Environ. 

Sci. Technol. 37 (2003) 1016‐1024. 

[35] Broséus, R.; Vincent, S.; Aboulfadl, K.; Daneshvar, A.; Sauvé, S.; Barbeau, B.; 

Prévost, M.  “Ozone  oxidation  of  pharmaceuticals,  endocrine  disruptors  and 

pesticides during drinking water treatment”. Water Res. 43 (2009) 4707‐4717. 

[36]  Sires,  I.;  Oturan,  N.;  Oturan,  M.A.  “Electrochemical  degradation  of  β‐

blockers. Studies on  single and multicomponent  synthetic aqueous  solutions”. 

Water Res. 44 (2010) 3109‐3120. 

[37] Huber, M.M.; Gobel, A.;  Joss, A.; Hermann, N.; Loffler, D.; McArdell, C.; 

Ried,  A.;  Siegrist,  H.;  Ternes,  T.A.;  Von  Gunten,  U.  “Oxidation  of 

pharmaceuticals during  ozonation  of municipal wastewater  effluents:  A pilot 

study”. Environ. Sci. Technol. 39 (2005) 4290‐4299. 

[38] Benítez, F.J.; Acero, J.L.; Real, F.J.; Roldán, G. “Ozonation of pharmaceutical 

compounds:  Rate  constants  and  elimination  in  various  water  matrices”. 

Chemosphere 77 (2009) 53‐59. 

[39] Nishimoto, S.; Mano, T.; Kameshima, Y.; Miyake, M. “Photocatalytic water 

treatment over WO3 under visible  light  irradiation combined with ozonation”. 

Chem. Phys. Letters 500 (2010) 86‐89. 

[40] Guerin, J.; Aguir, K.; Bendahan, M. “Modeling of the conduction in a WO3 

thin film as ozone sensor”. Sensor. Actuat. B Chem. 119 (2006) 327‐334. 

[41] Oison, V.; Saadi, L.; Lambert‐Mauriat, C.; Hayn, R. “Mechanism of CO and 

O3 sensing on WO3 surfaces: First principle study”. Sensor. Actuat. B Chem. 160 

(2011) 505‐510. 

[42] Kasprzyk‐Hordern,  B.; Ziólek, M.; Nawrocki,  J.  “Catalytic  ozonation  and 

methods  of  enhancing molecular  ozone  reactions  in water  treatment”. Appl. 

Catal. B Environ. 46 (2003) 639‐669. 

Page 284: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 285: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8) PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst

E. Mena, A. Rey, E.M. Rodríguez, F.J. Beltrán

Applied Catalysis B: Environmental 202 (2017) 460-472

ABSTRACT. This work is focused on the mechanistic investigation of N,N-diethyl-meta-

toluamide (DEET) degradation by photocatalytic ozonation, using WO3 in suspension

and visible radiation (wavelength ≥ 390 nm). This combined process proved to be an efficient treatment to completely remove the contaminant, HO• radicals being the main species involved. Different oxidation products were identified by liquid chromatography time-of-flight mass spectrometry and ion chromatography analyses, and the evolution of their relative abundances with reaction time was established. The efficiency of photocatalytic ozonation treatment was pointed out not only in the DEET depletion rate but also in the evolution of the main intermediate species and mineralization. All the large intermediates initially formed were completely removed within 60 min reaction time and only short-chain organic acids with very low toxicity remained in solution at concentrations in agreement with the mineralization degree achieved (up to 60 % in 2 h). A reaction mechanism of photocatalytic ozonation of DEET involving different chemical reaction steps, with the final formation of short-chain organic acids and mineralization to

CO2, has been proposed. A lumped kinetic model based on TOC and hydroxyl radical

reaction was developed to simulate DEET, intermediates and short-chain organic acids evolution in terms of TOC that provides a simplified approach for this process.

Keywords: Photocatalytic ozonation, DEET, WO3, mechanism, kinetic.

Page 286: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 287: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

271 

 

8.1. INTRODUCTION 

Pharmaceutical  and  personal  care  products  (PPCPs)  are  emerging 

contaminants  of  increasing  environmental  concern  due  to  their  continuous 

discharge  into  the aquatic  environment, persistence and  toxic  effect  in human 

and wildlife health. Among them, N,N‐diethyl‐meta‐toluamide (DEET) has been 

widely used as  the active compound  in  insect repellents  for protection against 

mosquito  [1]. Due  to  its  extensive  use,  in  the  last  few  years DEET  has  been 

detected in different aquatic systems, wastewater treatment plant effluents and 

even in drinking water treated, thus indicating its recalcitrance to conventional 

treatments  [2,3]. Although DEET  is  considered  to  be  slightly  toxic  to  aquatic 

invertebrates  and  freshwater  fish  [2],  it  has  been  reported  to  have  potential 

carcinogenic properties in human nasal mucosal cells [4]. In addition, ingestion 

of  low  doses  of  DEET  in  children  has  been  reported  to  result  in  coma  and 

seizures [5]. Therefore,  it  is critical to develop a fundamental understanding of 

the fate and degradation of DEET during water treatment processes.  

DEET  degradation  through  different  ozone‐based  processes  like  ozonation 

[4],  ozone  combined  with  hydrogen  peroxide  and/or  UV  radiation  [6],  and 

photocatalytic  treatments  has  been  studied  [1,3,6‐8],  the  last  being  the most 

efficient whereas  single ozonation  resulted  to be  ineffective  for being  so  slow. 

However,  the  combination  of  ozone  and  heterogeneous  photocatalysis 

(photocatalytic  ozonation),  has demonstrated  to  lead  to  higher mineralization 

rates  compared  to  the  individual  treatments,  due  to  the  generation  of  higher 

concentration  of  oxidizing  species,  mainly  hydroxyl  radicals,  and  also  the 

inhibition  of  e‐/h+  pair  recombination  to  some  extent  [9,10].  Photocatalytic 

ozonation of DEET has been previously investigated using TiO2 as photocatalyst 

and UV  (λ  =  254 nm)  as  radiation  source  [6]. For  the practical deployment of 

photocatalytic  technologies,  the  use  of  natural  solar  radiation  would  be  an 

advantage.  In  this  line,  to  improve  the efficiency of  the process,  in a previous 

work  photocatalytic  ozonation  of DEET was  studied  using  different  forms  of 

WO3,  a  visible‐light‐responsive  semiconductor.  According  to  this  work,  a 

Page 288: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

272 

 

monoclinic WO3  catalyst with W  reduced  states  gave  rise  to  complete DEET 

removal and high mineralization degree in less than 2 h [11]. 

However,  it  is  known  that  the  degradation  of DEET  during  ozonation  or 

photocatalytic  oxidation  proceeds  through  complex  redox  reactions  involving 

different steps which can lead to the formation of different intermediates (from 

now on transformation products, TPs) if complete mineralization is not achieved 

[1,4]. Some of these TPs can be toxic and, in some cases, more persistent than the 

parent compound [1]. Thus, the identification of these TPs and their reactivity is 

a  key  step  in  optimizing  the  processes  conditions  in  order  to  increase  their 

efficiency. To the best of our knowledge, although there are studies dealing with 

the  identification  of  TPs  generated  from  DEET  during  ozonation  [4,12]  and 

heterogeneous photocatalysis with TiO2 [1,8], there are no works focused on the 

identification of DEET photocatalytic ozonation TPs. Thus,  the purpose of  this 

work  is  to  study  the  visible  light  assisted  photocatalytic  ozonation  of DEET 

using WO3 as catalyst with special interest in: 1) identification of DEET TPs and 

other  intermediates;  2)  determination  of  main  species  involved  in  DEET 

degradation  with  the  aid  of  different  scavengers;  and  3)  development  of  a 

kinetic model for the process based on the previous results. 

8.2. EXPERIMENTAL SECTION 

8.2.1. Experiments 

All the experiments were carried out in semi‐batch mode in a 0.5 L effective 

volume glass‐made spherical reactor, provided with a gas inlet, a gas outlet and 

a  liquid  sampling  port.  The  reactor  was  placed  in  the  chamber  of  a  solar 

simulator (Suntest CPS, Atlas) provided with a 1500 W Xe  lamp with emission 

restricted to wavelengths above 390 nm using a polyester cut‐off filter (Edmund 

Optics).  The  spectral  irradiance  of  incident  radiation  shown  in  Figure  8.1(A), 

was measured with a spectral‐radiometer Black Comet C (StellarNet), provided 

with  an  optic  fiber  for  the  wavelength  range  between  190  ‐  850  nm.  The 

Page 289: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

273 

 

irradiation intensity was set at 550 W m−2 and the temperature increased from 20 

‐  40  °C  throughout  the  experiments. A  typical  temperature  vs  time  profile  is 

shown in Figure 8.1(B). An ozone generator (Anseros Ozomat Com AD‐02) was 

used to produce a gaseous ozone‐oxygen stream that was fed to the reactor.  

200 300 400 500 600 700 8000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NO

RM

ALI

ZE

D L

IGH

T IN

TE

NS

ITY

AB

SO

RB

AN

CE

(u

.a.)

WAVELENGTH (nm)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 100 12015

20

25

30

35

40

45

T (

º C)

TIME (min)

Figure 8.1.  (A) Spectral  irradiance of Xe  light after passing  through  the polyester  filter 

(line) and absorption spectra of DEET  (dotted  line).  (B) Evolution of  the temperature of 

the reaction media with time at the experimental conditions applied in this work. 

 

Page 290: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

274 

 

In a  typical ozonation experiment,  the  reactor was  loaded with 0.5 L of an 

aqueous  solution  containing  15 mg  L‐1  of DEET  (pH0  =  6)  and  covered with 

aluminum foil when needed (experiments  in the dark). Then, the Xe  lamp was 

switched on and at  the  same  time an ozone‐oxygen mixture  (10 mg L‐1 ozone 

concentration) was  fed  to  the reactor at a  flow rate of 15 L h−1. Photolysis and 

photocatalytic oxidation of DEET were also performed in absence of ozone. For 

catalytic and photocatalytic experiments  the same procedure was  followed but 

0.125 g of  the  catalyst were added and  the  suspension was  stirred  for 30 min 

before switching on the lamp and/or opening the gas flow (O2 or O2/O3), in order 

to attain  the adsorption equilibrium. The catalyst used was a monoclinic WO3‐

microspheres sample synthetized by sol‐gel procedure and calcined at 600 °C as 

reported in a previous work [11]. Adsorption of DEET onto the catalyst was also 

tested in absence of ozone in the dark.  

On the other hand, in some experiments, appropriate amounts of scavengers 

(tert‐butyl  alcohol  (t‐BuOH)  and  oxalate)  were  added  to  the  DEET  aqueous 

solution in order to determine the nature of the main species involved in DEET 

degradation.  An  additional  experiment  of  photocatalytic  ozonation  of  p‐

chlorobenzoic acid (pCBA, 5 mg L‐1) in the presence of oxalic acid (0.01 M) was 

carried  out  at  similar  operating  conditions  for  kinetics  considerations.  In  all 

cases  the  time  for  each  oxidation  experiment was  2  h. At  different  intervals 

samples were withdrawn  from  the  reactor and  filtered  through a 0.2  μm PET 

membrane. 

8.2.2. Analytical methods 

DEET concentration was analyzed by HPLC‐DAD  (Hitachi, Elite LaChrom) 

using a Phenomenex C‐18 column (5 μm, 150 mm long and 3 mm diameter) as 

stationary phase and 0.6 mL min‐1 of acetonitrile‐acidified water  (0.1 %  formic 

acid)  as mobile phase  (30  ‐  70 v/v,  isocratic).  Identification  and quantification 

was carried out at 220 nm. The concentration of pCBA was analyzed in the same 

system  with  the  same  column  and  mobile  phase  at  0.7  mL  min‐1,  and  its 

Page 291: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

275 

 

identification and quantification was carried out at 238 nm. Total organic carbon 

(TOC) was measured using a Shimadzu TOC‐VSCH analyzer. Aqueous ozone 

concentration  was  measured  by  the  indigo  method  using  a  UV‐Vis 

spectrophotometer (Evolution 201, Thermospectronic) set at 600 nm [13]. In this 

assay, 3 mL of sample were mixed with 3 mL of indigo solution and then filtered 

to  remove  catalyst  particles.  Spectrophotometric  measurements  were 

immediately  carried  out  to  avoid possible  interferences  [14]. Concentration  of 

ozone  in  the gas phase was  continuously monitored by means of  an Anseros 

Ozomat  GM‐6000  Pro  analyzer.  Hydrogen  peroxide  concentration  was 

determined photometrically by  the cobalt/bicarbonate method at 260 nm using 

the same UV‐Vis spectrophotometer [15].  

DEET  organic  TPs were  identified  by HPLC‐qTOF  using  an Agilent  6530 

accurate  mass  quadrupole  time‐of‐flight  mass  spectrometer  bearing  with 

electrospray  ionization  (ESI)  source  coupled with  an  Agilent  1260  series  LC 

system.  A  ZORBAX  SB‐C18  column  (3.5  μm,  150  mm  long,  and  4.6  mm 

diameter)  was  used  as  stationary  phase.  The  column  was  kept  at  constant 

temperature of  30  °C during  each  analysis. As mobile phase,  0.2 mL min−1 of 

acetonitrile‐acidified water  (25 mM  formic acid) was used  from 10  to 100 % of 

acetonitrile in 40 min with 15 min of equilibration. The injection volume was 10 

μL. The qTOF instrument was operated in the 4 GHz high‐resolution mode. Ions 

are generated using an electrospray ion source Dual ESI. Electrospray conditions 

were  the  following: capillary, 3500 V; nebulizer, 30 psi; drying gas, 10 L min‐1; 

gas  temperature,  350  °C;  skimmer  voltage,  65  V;  octapoleRFPeak,  750  V; 

fragmentor, 175 V. The mass axis was calibrated using the mixture provided by 

the manufacturer  over  the m/z  70  ‐  3200  range.  A  sprayer with  a  reference 

solution was used as continuous calibration in positive ion using the following 

reference masses: m/z 121.0509 and 922.0098. Data were processed using Agilent 

Mass Hunter Workstation Software (version B.04.00).  

According to previous works, the generation of formaldehyde during DEET 

degradation  is expected  [1,8]. Thus, concentration of  formaldehyde  in solution 

Page 292: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

276 

 

was measured by Hantzsch reaction, measuring the absorbance at 412 nm of the 

diacetyldihydrolutidine  formed  [16].  Finally,  short‐chain  organic  acids  and 

inorganic  ions  were  analyzed  by  an  ion  chromatograph  with  chemical 

suppression (Metrohm 881 Compact Pro) provided with a conductivity detector 

using a MetroSep A sup 5 column (250 mm long, 4 mm diameter) at 45 °C and 

0.7 mL min‐1  of Na2CO3  from  0.6  ‐  14.6 mM  in  50 min  (10 min post‐time  for 

equilibration) as mobile phase. 

8.3. RESULTS AND DISCUSSION 

8.3.1. Comparison of processes 

In  a  first  series  of  experiments,  the  effectiveness  of  adsorption,  photolysis 

under  λ    390  nm  (Ph),  ozonation  (O3),  photolytic  ozonation  (Ph‐O3), 

photocatalytic oxidation (PhC‐O2), catalytic ozonation (C‐O3) and photocatalytic 

ozonation (PhC‐O3) on DEET removal was studied. On the one hand, from the 

obtained results (not shown) it is deduced that contribution of both adsorption 

onto the catalyst and direct photolysis to DEET removal is negligible, the latter 

as expected since there  is not overlapping between DEET absorption and  lamp 

emission  spectra,  as  deduced  from  Fig.  8.1(A).  On  the  other  hand,  time‐

evolution  of  normalized  DEET  and  TOC  concentration  for  the  different 

processes studied is shown in Figures 8.2(A) and 8.2(B), respectively. According 

to these figures, degradation rate of DEET during photocatalytic oxidation (PhC‐

O2) was very  low. Thus,  less  than 10 % of DEET conversion was attained after 

120 min and no mineralization was observed. Taking into account that WO3 is a 

visible  light responsive semiconductor,  these poor results could be attributable 

to  the  fact  that  oxygen  is not  able  to  react with photoexcited  electrons  in  the 

conduction band of WO3 [17], leading to a high recombination rate of e‐/h+ pairs 

and,  as  a  consequence,  presenting  a  low  efficiency  in  the  photocatalytic 

oxidation process. 

  

Page 293: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

277 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8.2.  Evolution  of DEET  (A)  and  TOC  (B)  normalized  concentration with  time 

during the different treatments applied:  PhC‐O2;  O3;  Ph‐O3;  C‐O3;  PhC‐O3. 

Experimental  conditions:  CDEET,0  =  15  mg  L‐1;  pH0  =  6;  V  =  0.5  L;  Qg  =  15  L  h‐1;               

*CO3,g = 10 mg L‐1; *I = 550 W m−2; *CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

Regarding  single ozonation  (O3), at  the  conditions  tested  the  conversion of 

DEET after 2 h was 100 % as shown  in Fig. 8.2(A). Given  the  low reactivity of 

ozone  towards DEET  (kO3  =  0.123 M‐1  s‐1  at  20  °C;  [4]),  the  results  suggest  the 

participation  of  ozone  indirect  reactions,  namely  hydroxyl  radical  generation 

from  O3  decomposition,  on  the  elimination  of  the  contaminant.  Besides,  the 

0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CD

EE

T/C

DE

ET

,0

TIME (min)

(A)

0 30 60 90 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CT

OC/C

TO

C,0

TIME (min)

(B)

Page 294: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

278 

 

relatively low TOC removal achieved (~ 20 % after 2 h, see Fig. 8.2(B)) could be 

related to the formation of intermediates refractory to ozone direct reaction [18]. 

All these aspects are discussed in depth in subsequent sections.  

From Fig. 8.2 it can also be seen that addition of WO3 catalyst (C‐O3 system) 

had no effect on  the effectiveness of  the ozonation  in  terms of DEET and TOC 

removal, which indicates the inability of the catalyst to promote an efficient O3 

decomposition in the dark.  

On the other hand, when light (λ  390 nm) and ozone were combined (Ph‐

O3), DEET degradation rate was higher than the observed for the O3 system  in 

the dark.  In  this  sense,  from Fig. 8.2(A)  it  is deduced  that  the  time needed  to 

reach a given DEET conversion by Ph‐O3 was almost half the time needed in the 

dark. Besides,  in  line with  the  above  the mineralization was  also higher  (Fig. 

8.2(B)), reaching a TOC removal of 18 % and 25 %  in absence and presence of 

light,  respectively,  after  2  h  of  treatment.  Since  the  direct  photolysis  of  the 

pollutant does not occur, the increased efficiency of the Ph‐O3 system compared 

to O3 should be related to the interaction between ozone and light leading to the 

formation of reactive species as has been previously reported [19,20].  

Undoubtedly,  addition of WO3  to  the Ph‐O3  system,  that  is, photocatalytic 

ozonation  (PhC‐O3)  led  to  the  best  results  among  the  processes  tested.  As 

observed  in  Fig.  8.2,  after  15  min  DEET  was  completely  removed  and  the 

mineralization degree was higher than 60 % after 2 h. These results suggest that, 

unlike  oxygen,  recombination  of  e‐/h+  generated  from WO3  photoexcitation  is 

avoided  thanks  to  ozone  electron  trapping  [17].  On  its  role  as  an  electron 

acceptor  ozone would  decompose  into  reactive  oxygen  species  (mainly  •HO ) 

thus  increasing the degradation and mineralization rate of the pollutant. These 

results are consistent with the evolution of dissolved ozone shown in Figure 8.3. 

As  observed,  in  the  presence  of  light  the  concentration  of  ozone  in  solution 

diminishes and more markedly when WO3  is also present. Therefore,  it  seems 

Page 295: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

279 

 

that  both  light  (λ    390  nm)  and WO3  +  light  promote  ozone  decomposition 

which,  in  turn,  leads  to  the  formation of highly reactive species  that would be 

responsible for the faster elimination rate of DEET and TOC observed. Another 

aspect  to  highlight  from  Fig.  8.3  is  the  time  profile  of  dissolved  ozone  (O3d) 

concentration during  single ozonation. As observed,  it  reaches  a maximum at 

the beginning of  the experiment and  then decreases gradually until reaching a 

stationary  value.  This  behavior  differs  from  that  usually  observed  during 

ozonation of water  solutions where O3d  concentration  is  low  at  the beginning 

and gradually increases reaching a stationary value. The explanation to this fact 

lies in the temperature profile inside the reactor shown in Fig. 8.1(B). During the 

first 60 min, as the temperature increases from ~ 20 °C to 40 °C ozone solubility 

decreases. From that moment, since the temperature remains almost constant a 

stationary value of ozone  in  solution  is  also maintained.  In  addition  to ozone 

solubility, temperature can also affect the kinetics of ozone reactions whereas its 

effect on the reactivity of transient species is much lower. With this in mind, the 

rate constant of the direct reaction between DEET and ozone at 15 °C, 25 °C and 

40 °C has been determined by a direct method [18]. Taking into account the low 

kO3 values expected according to the literature (0.123 M‐1 s‐1 at 20 °C, [4]), and the 

fact  that DEET does not dissociate  in water,  the study was performed at pH 2 

(pH adjustment with perchloric acid) in a thermostated bubble column (reaction 

volume 250 mL) operating under semi‐batch mode by continuous injection of 15 

L h‐1 of a gaseous mixture containing 10 mg L‐1 of O3.  In  these experiments  t‐

BuOH was used as scavenger of  •HO  radicals that could be generated from O3 

decomposition. According to the second‐order rate constants values reported in 

the  literature  (see Table  8.1)  for  the  reaction of both  compounds with O3  and 

•HO  [4,21‐23], the initial concentration of DEET and t‐BuOH was set at 4x10‐5 M 

and 4x10‐3 M, respectively. At these conditions, according to Table 8.1, reaction 

of DEET with  •HO  will be avoided whereas t‐BuOH will not be able to compete 

with DEET  for ozone. Also,  the experimental conditions aimed  to allow DEET 

and  ozone  to  react  in  the  liquid  bulk  (i.e.,  slow  kinetic  regime  of  ozone 

Page 296: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

280 

 

absorption  was  established)  so  that  the  DEET  mass  balance  in  the 

semicontinuous perfectly mixed reactor used would be given by Eq. (8.1): 

  3

3d

O ‐DEETDEETO DEET

DEET

kdC‐ C C

dt z   (8.1) 

where CO3d and CDEET are  the  concentration of ozone and DEET  in  the  liquid, 

respectively; and zDEET the stoichiometry of the reaction between O3 and DEET, 

which was considered to be 1 mol of O3 consumed per mol of DEET according to 

its  low  reactivity  and  the  structure of DEET molecule.  Integration of Eq.  (8.1) 

leads to Eq. (8.2) which, in case CO3d remains constant, simplifies to Eq. (8.3): 

  0

3 3d

0

tDEET

O ‐DEET ODEET

t

CLn k C dt

C   (8.2) 

  0

3 3d

DEETO ‐DEET O

DEET

CLn k C t

C   (8.3) 

According to Eq. (8.3), a plot of the left term against (CO3dt) should lead to a 

straight  line  that  intercepts  the origin and whose slope  is  the value of kO3‐DEET. 

As  an  example,  in  Figure  8.4  the  results  obtained  at  25  °C  are  shown.  As 

observed  in Fig. 8.4(A) during the run CO3d was practically constant from t = 5 

min  (CO3d = 3.03  (± 0.18) x 10‐5 M). On  the other hand,  from experimental data 

fitting to Eq. (8.3) (shown in Fig. 8.4(B)) a kO3‐DEET value of 4.24 ± 0.17 M‐1 s‐1 (R2 = 

0.985) was obtained at 25 °C. Following a similar procedure, kO3‐DEET values of 

2.46  ±  0.09 M‐1  s‐1  and  7.05  ±  0.33 M‐1  s‐1 were  obtained  at  15  °C  and  40  °C, 

respectively. To validate  these  rate constant values,  the slow kinetic  regime of 

ozone absorption (Hatta number, Ha < 0.3, [18]) was verified taking into account 

Eq. (8.4) [4]: 

 O ‐DEET DEET O3 3

L

k C DHa

k

  (8.4) 

where DO3 is the diffusivity of ozone in water (1.76x10‐9 m2 s‐1; [24]); and kL the 

Page 297: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

281 

 

individual liquid‐side mass transfer coefficient calculated to be 3.74x10‐4 m s‐1 by 

applying the Calderbank’s Equation [25]. At the conditions applied in this work 

Ha was always much lower than 0.3, allowing us to validate the kO3‐DEET values 

summarized  in Table 8.1. As deduced  from Table 8.1, although  in all cases  the 

low reactivity of ozone towards DEET is highlighted, kO3‐DEET values obtained in 

this work are considerable greater  than  that reported by Benítez et al.  [4]. This 

could be attributable to the low CDEET0/Ct‐BuOH0 ratio applied by these authors at 

which  the  alcohol  acts  as both  •HO   and ozone  scavenger. Finally,  the kO3‐DEET 

values obtained at different temperatures were fitted to the Arrhenius equation. 

The pre‐exponential factor and the activation energy are also indicated in Table 

8.1. 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

1x10-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

CO

3d (

M)

TIME (min)

Figure 8.3. Evolution of dissolved ozone concentration with time during the application 

of  different  processes.  Symbols:  O3;   Ph‐O3;   PhC‐O3.  Experimental  conditions:   

CDEET,0 = 15 mg L‐1; pH0 = 6; V = 0.5 L; Qg = 15 L h‐1; CO3,g = 10 mg L‐1;  *I = 550 W m−2;                          

*CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

Page 298: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

282 

 

0 10 20 30 40 50 600.0

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

4.0x10-5

5.0x10-5

C (

M)

TIME (min)

(A)

 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.080.0

0.1

0.2

0.3

0.4

ln(C

DE

ET

,0/C

DE

ET)

CO3d·t (M·s)

Slope = 4.24 +/- 0.17

R2 = 0.985

(B)

 

Figure 8.4. Determination of kO3‐DEET at 25  °C.  (A) Evolution of DEET  () and O3d  () 

concentration  with  time.  (B)  Fitting  of  data  to  Eq.  (3).  Experimental  conditions:         

CDEET,0 = 10 mg L‐1; Ct‐BuOH = 0.004 M; pH0 = 2; V = 0.25 L; Qg = 15 L h‐1;  CO3,g = 10 mg L‐1. 

 

 

Page 299: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

283 

 

Table 8.1. Second‐order  rate  constants  for  the  reaction of ozone and hydroxyl  radicals 

with DEET, t‐BuOH, oxalate and p‐CBA. 

Compound  kO3 (M‐1 s‐1)  Ref.  kHO∙ (M‐1 s‐1)  Ref. 

 

 

DEET 

20 °C: 0.121 ± 0.005 

Conditions: pH = 2 ‐ 9;  

CDEET,0 = 10‐6 M;  Ct‐BuOH,0 = 0.1 M 

[4] 

 

 

4.95x109 

 

 

[21] 

15 °C: 2.46 ± 0.09 (R2 = 0.991) 

25 °C: 4.24 ± 0.17 (R2 = 0.985) 

40 °C: 7.05 ± 0.33 (R2 = 0.987) 

kO3 = Ae‐Ea/RT; A = 1.2x106; 

Ea = 31.3 kJ mol‐1 (R2 = 0.988) 

Conditions: pH = 2, CDEET,0 = 4x10‐5 M; 

Ct‐BuOH,0 = 4x10‐3 M 

 

 

This 

work 

 

t‐BuOH  0.0011  [22]  6.2x108  [23] 

Oxalate  < 0.04  [30] 

5x107                

(pH = 2.8) 

7.7x106        (pH = 6) 

[31] 

p‐CBA   0.015  [39]  5x109  [39] 

 

8.3.2. Determination  of  the main  species  responsible  for DEET degradation 

and mineralization 

In order to determine the nature of the species involved on the elimination of 

DEET  through  the  most  effective  systems,  namely  ozonation,  photolytic 

ozonation and photocatalytic ozonation, a new series of experiments was carried 

out by adding substances capable of acting as scavengers of some of the species 

whose generation and participation is expected. In this sense, t‐BuOH has been 

selected as scavenger of  •HO  in the liquid bulk, and oxalate as scavenger of  •

HO  

both  in  the  liquid  bulk  and  also  at  the  catalyst  surface  where,  in  addition, 

adsorbed oxalate can be oxidized by the photogenerated positive holes (h+) [26‐

Page 300: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

284 

 

29]. As commented in the previous section, to select the appropriate substances 

to  be  used  as  scavengers  their  reactivity  towards  the  different  species  and 

reagents involved must be firstly considered. Thus, in Table 8.1 the rate constant 

of the reactions oxalate‐ozone and oxalate‐ •HO  are also indicated [30,31]. Taking 

into  account  the  reactivity  of DEET  and  the  scavengers  towards  the different 

species involved, this study was carried out at the following conditions: pH0 = 6; 

20 ‐ 40 °C (see Fig. 8.1(B)); CDEET,0 = 8x10‐5 M; COxal,0 = 10‐3 M and/or Ct‐BuOH,0 = 0.03 

M. Figure 8.5 shows the influence of the presence/absence of these scavengers in 

DEET degradation rate by the different processes applied: O3 (Fig. 8.5(A)), Ph‐O3 

(Fig. 8.5(B)) y PhC‐O3 (Fig. 8.5(C)). The theoretical DEET evolution with time has 

also been calculated from Eq. (8.1) considering that DEET was only degraded by 

direct ozone attack. For  this purpose CDEET,0 value,  the  evolution of both CO3d 

(see Fig. 8.3) and temperature (Fig. 8.1(B)) with time as well as the influence of T 

on kO3‐DEET according to Arrhenius equation (see Table 8.1) have been taken into 

account. These results have also been added to Fig. 8.5 for comparative reasons. 

Fig.  8.5(A)  shows  the  effect of  the presence of  0.03 M  t‐BuOH  in  8x10‐5 M 

DEET  elimination  rate  by  single  ozonation. At  these  conditions,  t‐BuOH will 

react with all  •HO  whereas its reaction with O3 will be negligible. As observed in 

Fig. 8.5(A), the presence of t‐BuOH negatively affect the elimination rate of the 

contaminant,  thus  indicating  not  only  the  decomposition  of  ozone  into  •HO  

radicals at the conditions tested but also the high contribution of  •HO  to DEET 

degradation by single ozonation. Moreover, the good agreement between CDEET 

evolution when  t‐BuOH was present and  that calculated by Eq.  (8.1)  indicates 

that O3 and  •HO  are  the only species  involved on DEET degradation by single 

ozonation. 

 

 

Page 301: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

285 

 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

2x10-5

4x10-5

6x10-5

8x10-5

1x10-4

CD

EE

T (

M)

TIME (min)

(A)

 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

2x10-5

4x10-5

6x10-5

8x10-5

1x10-4

(B)

CD

EE

T (

M)

TIME (min)  

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

2x10-5

4x10-5

6x10-5

8x10-5

1x10-4

(C)

CD

EE

T (

M)

TIME (min)  Figure 8.5. Influence of the presence of different scavengers on the elimination of DEET 

by O3  (A),  Ph‐O3  (B)  and  PhC‐O3  (C).  Symbols:   no  scavenger;   t‐BuOH  0.03 M;                          

 t‐BuOH 0.03M and Oxalate 10‐3 M. Line: Calculated from Eq. (1) assuming only direct 

ozone‐DEET  reaction. Experimental  conditions: CDEET,0 = 15 mg L‐1; pH0 = 6; V = 0.5 L;                       

Qg = 15 L h‐1; CO3,g = 10 mg L‐1; *I = 550 W m−2; *CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

Page 302: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

286 

 

Similarly,  the  influence  of  0.03 M  t‐BuOH  in  the  degradation  of  8x10‐5 M 

DEET by photolytic ozonation  is depicted  in Fig. 8.5(B). Again, the presence of       

t‐BuOH negatively affects the elimination rate of the contaminant. However, the 

elimination rate of DEET calculated from Eq. (8.1) (straight line) is clearly lower 

than  that  experimentally  determined  in  the  presence  of  t‐BuOH.  Since  it  is 

expected  that at  the conditions used most of  the  •HO  was  trapped by  t‐BuOH, 

there must be other species and/or mechanism different  than  •HO  and O3 also 

contributing to DEET degradation. This effect is more marked during the first 45 

min and  then,  the  rate of DEET depletion becomes similar  (see Fig. 8.5(B), Eq. 

(8.1) and t‐BuOH experiment). The fact that the positive effect of the presence of 

light on TOC removal is much lower than on DEET (Fig. 8.2), that is, the effect is 

more  noticeable  at  short  reaction  times,  could  indicate  the  formation  of  an 

intermediate capable of acting as a photosensitizer giving rise to the formation 

of  reactive  species. Once  the  intermediate  is  degraded  the  beneficial  effect  of 

light would disappear. 

Finally,  the  effect  of  the presence  of  oxalate  and/or  t‐BuOH  on  the  rate  of 

DEET  removal  by  photocatalytic  ozonation  is  shown  in  Fig.  8.5(C).  It  can  be 

observed  that  the  degradation  rate  of  DEET  in  the  presence  of  t‐BuOH  or                        

t‐BuOH + oxalate was very  similar. Considering  that  t‐BuOH only  reacts with 

•HO  in the bulk, these results are pointing out that  •

HO  and h+ photogenerated 

at the catalyst surface do not contribute to DEET degradation. Moreover, it can 

be observed that 100 % DEET removal was attained in less than 15 min by PhC‐

O3 when no  scavengers are used, but  the  evolution of DEET during  the  same 

period when t‐BuOH was present was virtually coincident with that calculated 

when only its direct reaction with ozone is considered (Eq. (8.1)). Thus,  •HO  in 

the bulk seems to be the only species involved in DEET elimination by PhC‐O3. 

Therefore, as deduced from results in Fig. 8.5, at the conditions used in this 

work,  during  photocatalytic  ozonation DEET  is mainly  removed  through  its 

Page 303: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

287 

 

reaction with  •HO  radicals in the bulk whose formation when visible radiation, 

WO3  catalyst  and O3  are  combined  (PhC‐O3)  is  highly  enhanced. The  highest 

•HO  concentration would also be the responsible for the highest efficiency of this 

combination  in  terms of mineralization  (Fig. 8.2(B)).  In other words,  the above 

results  confirm  that  not  only DEET  but  also  final products  oxidation  (mainly 

carboxylic  acids)  proceeds  through  •HO   attack  during  PhC‐O3  process. 

Moreover, first TPs degradation is also likely due to  •HO  reaction in the bulk as 

discussed in the following section. 

8.3.3. Identification of TPs 

The identification of TPs during ozonation and photocatalytic ozonation was 

carried out by means of LC‐qTOF and ion chromatography. LC‐qTOF approach 

provided  accurate  mass  measurements  of  ions  (m/z  values)  of  the  different 

compounds  formed,  together with  several  peaks  corresponding  to  equal m/z 

values. In total, 22 TPs were identified, which are indicated in Table 8.2 together 

with  the  parent  compound  DEET.  They  were  designated  by  a  number 

corresponding  to  the m/z value  and  for  isomers  the number  is  followed by  a 

letter in alphabetical order with increasing retention time. The low experimental 

relative  mass  errors  obtained  indicate  the  high  grade  of  confidence  in  the 

assignment  of  the  elemental  composition.  In  this  sense,  relative mass  errors 

below  5  ppm  are  generally  accepted  for  the  verification  of  the  elemental 

composition  [32]. Table 8.2 also  includes  the  tentative  structures proposed  for 

the different TPs according to the specific literature [1,4,8,12,21,33,34]. These TPs 

identified,  similar  to  those  found  in previous works  for different  systems, are 

consistent with the attack of  •HO  generated throughout the processes. Although 

neither  the  tentative  structures  nor  the  concentration  of  the  TPs  could  be 

confirmed  due  to  the  lack  of  standards,  reaction  pathways  for  DEET 

degradation have been proposed and are discussed in the following section. 

In general, main  first  intermediates detected were  large molecules,  such as 

Page 304: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

288 

 

C12H15NO2  (m/z  =  206),  C12H17NO2  (m/z  =  208),  C10H15NO2  (m/z  =  182), 

C10H15NO3 (m/z = 198) or C10H13NO (m/z = 164), in which practically the parent 

compound  structure  (C12H17NO,  m/z  =  192)  is  still  present  with  slight 

modifications. Other smaller intermediates like C5H11NO2 (m/z = 118) or C4H11N 

(m/z  =  74)  that  have  been  identified  are  formed  after  the  cleavage  of 

characteristic bonds.  

Table 8.2. TPs identified by LC‐qTOF during DEET O3 and PhC‐O3 degradation. 

Compound tR 

(min) 

Molecular 

Formula 

[M] 

Experimental

m/z 

[M‐H+] 

Error 

(ppm) Tentative structure 

192 (DEET)  24.56  C12H17NO  192.1385  ‐2.65 

 

240‐A  16.05    240.1234  ‐10.41 

 

240‐B  16.92  C12H17NO4  240.1239  ‐8.32 

240‐C  17.4    240.1245  ‐5.83 

226‐A  15.38 

C11H15NO4 

226.1083  ‐4.05 

 226‐B  15.83  226.1085  ‐4.93 

222‐A  18.88 

C12H15NO3 

222.1128  ‐3.29 

 

222‐B  20.13  222.1129  ‐3.85 

214  15.96  C10H15NO4  214.1072  ‐4.74 

 

208‐A  17.54 

C12H17NO2 

208.1337  ‐2.38 

 

208‐B  19.24  208.1339  ‐3.34 

208‐C  20.64  208.1326  2.91 

208‐D  21.69  208.1338  ‐2.86 

 

 

Page 305: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

289 

 

Table  8.2  (Continuation).  TPs  identified  by  LC‐qTOF  during  DEET  O3  and  PhC‐O3 

degradation. 

Compound tR 

(min) 

Molecular 

Formula 

[M] 

Experimental

m/z 

[M‐H+] 

Error 

(ppm) Tentative structure 

206  21.03  C12H15NO2  206.1177  ‐4.58 

 

198‐A  13.69    198.1129  ‐2.17 

 

198‐B  15.78  C10H15NO3  198.1129  ‐2.17 

198‐C  16.83    198.1130  ‐2.68 

182  22.38  C10H15NO2  182.1177  ‐5.19 

 

178  22.70  C11H15NO  178.1229  ‐1.46 

 

164  21.48  C10H13NO  164.1069  ‐2.50 

 

146  9.23  C6H11NO3  146.0812  ‐2.26 

 

118  6.55  C5H11NO2  118.0863  ‐2.42 

 

74  6.62  C4H11N  74.0967  ‐6.74  

 

The evolution with time of the intensity of the signal of DEET and those TPs 

detected by LC‐qTOF during O3 and PhC‐O3 processes  is shown  in Figure 8.6. 

According to Fig. 8.6 TPs formed were exactly the same regardless of the process 

applied  although  their  formation  rate was  noticeably much  faster  during  the 

photocatalytic  ozonation  treatment.  Thus,  during  PhC‐O3  total  TPs 

disappearance was  observed  at  60 min whereas  for  single  ozonation  some  of 

N

O

C N

O

HO

O

Page 306: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

290 

 

these TPs still remained after 120 min. 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

6x106

7x106P

EA

K A

RE

A

TIME (min)

0

1x108

2x108

3x108

4x108

5x108

6x108

(A)

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

6x106

7x106

PE

AK

AR

EA

TIME (min)

(B)

0

1x108

2x108

3x108

4x108

5x108

6x108

Figure 8.6. Time profiles of the intensity of the main peaks detected during (A) O3 and (B) 

PhC‐O3  of  DEET.  Experimental  conditions:  CDEET,0  =  15  mg  L‐1;  pH0  =  6;  V  =  0.5  L;             

Qg = 15 L h‐1; CO3,g = 10 mg L‐1; *I = 550 W m−2; *CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

As deduced in the previous section, the fact that  •HO  radicals in the bulk are 

the  main  species  involved  in  DEET  degradation  by  O3  and  PhC‐O3  could 

explain, on the one hand, that TPs formed are the same  in both processes and, 

206 164 182 198-A 198-B 198-C 214 74 146 178

192 (DEET)

Page 307: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

291 

 

on  the  other  hand,  that  TPs  formation  rate  in  the  photocatalytic  treatment 

presents the highest values as a result of the largest concentration of  •HO  in the 

reaction medium. Moreover,  once  the maximum  concentration  of  each  TP  is 

reached,  the  removal  rate  during  the  PhC‐O3  process  is  also  faster  than  the 

observed during O3 alone process.  In summary, during single ozonation direct 

O3  reactions  are  favored  as  a  consequence  of  the  higher  concentration  of 

dissolved molecular ozone and, according  to Fig. 8.6, a higher removal  rate of 

TPs is clearly obtained by PhC‐O3 system. Then, it can be pointed out that, as for 

DEET,  in  both  treatments  (O3  and  PhC‐O3)  the  •HO   radical  is  the  main 

responsible species for the degradation of intermediate TPs. 

Further oxidation of these TPs usually gives place to the formation of short‐

chain saturated carboxylic acids. Thus, the presence of oxalic, acetic, pyruvic and 

formic acids (see molecular formula and structures in Table 8.3) was detected at 

long  reaction  times  for  both  O3  and  PhC‐O3  processes.  In  Figure  8.7,  the 

evolution with time of CTOC present as carboxylic acids (ΣCTOC‐acids) is shown. As 

expected, a higher generation rate and concentration  in solution of  these acids 

for PhC‐O3 is observed being 18 % and 64 % of residual TOC in the form of these 

organic acids after 2 h of ozonation and photocatalytic ozonation, respectively. 

By  comparing Fig.  8.6  and Fig.  8.7,  it  is deduced  that  formation of  carboxylic 

acids  needs  the  previous  oxidation  of  TPs, which  is  faster  for  photocatalytic 

ozonation as commented before. Hence, the low TOC conversion into carboxylic 

acids after 2 h of ozonation indicates that at these conditions intermediate TPs, 

that could even be more harmful  than  the parent compound, are  still present. 

During photocatalytic ozonation, only  short‐chain organic acids were detected 

at the end of the treatment, with the complete elimination of the large TPs. Thus, 

according to the literature [1,4], a significant decrease in the toxicity is expected 

if this process is applied until reaching a high mineralization degree. However, 

the information currently available about ecotoxicity is not sufficient and further 

work would be necessary [2]. 

Page 308: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

292 

 

Table  8.3.  Short‐chain  saturated  organic  acids  identified during DEET O3  and PhC‐O3 

degradation. 

Compound Molecular 

Formula 

 

Structure 

 

Oxalic acid  C2H2O4 

Acetic acid  C2H4O2 

 

Pyruvic acid  C3H4O3 

Formic acid  CH2O2 

 

 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

1

2

3

4

CT

OC

-aci

ds(m

g L-1

)

TIME (min)

Figure  8.7.  Evolution  of  TOC  corresponding  to  short‐chain  saturated  organic  acids 

concentration  with  time  during  different  processes.  Symbols:    O3;    PhC‐O3. 

Experimental  conditions:  CDEET,0  =  15  mg  L‐1;  pH0  =  6;  V  =  0.5  L;  Qg  =  15  L  h‐1;                 

CO3,g = 10 mg L‐1; *I = 550 W m−2; *CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

Page 309: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

293 

 

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

2x10-5

4x10-5

6x10-5

8x10-5

C (

M)

TIME (min) 

Figure  8.8.  Evolution  of  DEET  eliminated  and H2O2  and  CH2O  generated with  time 

during DEET degradation by O3 (circles) and PhC‐O3 (triangles) systems. Symbols: ,  

DEET eliminated; ,  H2O2  formed; ,  CH2O generated. Experimental conditions:      

CDEET,0 = 15 mg L‐1; pH0 = 6; V = 0.5 L ; Qg = 15 L h‐1; CO3,g = 10 mg L‐1; *I = 550 W m−2;                  

*CWO3 = 0.25 g L‐1 (*if applied). 

According to the literature, ozonation and photocatalytic oxidation of DEET 

led to the generation of formaldehyde (CH2O) [1,8]; and also, hydrogen peroxide 

(H2O2) is commonly formed through direct ozone and hydroxyl radical reactions 

[35,36]. Thus, the evolution of the concentration of both compounds with time is 

depicted in Figure 8.8 together with the evolution of DEET eliminated during O3 

and PhC‐O3. It can be clearly seen for both treatments that the disappearance of 

1 mol of DEET leads to the formation and accumulation of ~1 mol of H2O2 in the 

reaction medium. Particularly, during PhC‐O3 an increase of H2O2 concentration 

is  produced  up  to  45 min  coinciding  with  the  time  when  TPs  were  almost 

completely  removed  (see  Fig.  8.6(B)).  From  this moment,  H2O2  is  gradually 

consumed likely in photocatalytic reactions as discussed in a previous work [11]. 

However,  in  case  H2O2  reactions  led  to  the  formation  of  reactive  oxidizing 

species, they do not seem to participate  in TPs removal. In fact, the analysis of 

H2O2 evolution during DEET degradation by the other processes applied in this 

Page 310: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

294 

 

work, together with the results during photocatalytic oxidation of DEET adding 

H2O2  (PhC‐O2  +  H2O2,  not  shown)  led  us  to  conclude  that:  1)  H2O2 

decomposition during the processes applied mainly occurs due to its interaction 

with the irradiated catalyst surface; and 2) H2O2 decomposition does not lead to 

the generation of reactive species capable of oxidizing DEET and/or its TPs.  

Regarding  formaldehyde,  a direct  relation between DEET degradation  and 

formaldehyde formation is also observed although in this case the ratio is ~ 0.25 

mol of CH2O per mol of DEET eliminated by O3 and PhC‐O3. 

8.3.4. Proposed reaction mechanism 

Bearing in mind the identified TPs and the fact that hydroxyl radical seems to 

be the main species  involved on DEET degradation by PhC‐O3 when WO3 and 

light  of wavelength  higher  than  390  nm  are  used,  a  tentative mechanism  is 

presented in Schemes 8.1 ‐ 8.3 and discussed below. Both the aliphatic chain and 

the aromatic  ring of DEET molecule are  found  to  react with hydroxyl  radicals 

and  pathways will  be  separately  discussed.  For  the  reactions  at  the  aliphatic 

chain of DEET, the  identified TPs and the proposed mechanisms are presented 

in Scheme 8.1. In this mechanism, the  •HO  radical attack on the aliphatic chain 

could  occur  by  abstraction  of  hydrogen  to  form  an  organic  radical  in which 

several TPs are based on [12]. For example, the TP named 206 in Table 8.2 with 

m/z  206.1177  was  generated  by  a  reaction  between  this  organic  radical  and 

oxygen or ozone. On  the other hand,  the  rearrangement of  the  radical  formed 

and an additional  •HO  attack at  the aliphatic chain  lead  to  its de‐ethylation  to 

form  another  radical,  which  could  further  react  with  water  to  form  the  TP 

named  164  (m/z  164.1069). Other  authors  have  also  reported  the  existence  of 

these TPs through the above two different pathways during ozonation [4], and 

photocatalytic  oxidation  of DEET  [1,8].  In  addition,  the  rearrangement  of  the 

organic  radical  could  lead  to  the  cleavage  of  characteristic  bonds  [12]  and 

subsequent  formation of  carbanions which  could  explain  the  formation of  the 

Page 311: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

295 

 

smaller TPs detected  in the present work. On the one hand, the rearrangement 

of  the  radical  produced  a  new  radical  in  addition  to  the  carbanion  of 

diethylamine. From the  •HO  radical attack on this carbanion and reaction with 

water, diethylamine can be formed (TP named 74 in Table 8.2 with m/z 74.0967). 

On  the other hand,  the  rearrangement of  the  radical  can also  form  the benzyl 

radical  (involved  in  further  reactions) and a carbanion which could  react with 

•HO   radicals  to  produce  hydroxydiethylamide  (TP  118  in  Table  8.2 with m/z 

118.0863).  Finally,  in  Scheme  8.1  is  also  considered  the  initial  •HO   attack  and 

hydrogen  abstraction  on  the  methyl  group  that  is  directly  attached  to  the 

aromatic ring of DEET. The TP 178 with m/z 178.1229 is derived by detachment 

of this methyl group from DEET [1,8], through loss of formaldehyde after a new 

•HO  radical attack. 

Regarding  the reactions on  the aromatic ring of DEET  (see Scheme 8.2),  the 

initial  attack  of  the  hydroxyl  radical  could  lead  to  the  generation  of 

hydroxylated DEET derivatives. Thus,  in  the present  study  four  isomers have 

been  identified  for monohydroxy  DEET  (208‐A,B,C,D  in  Table  8.2  with m/z 

208.1326  ‐  208.1339)  corresponding  to  the  different  positions  that  can  be 

occupied by the  •HO  moiety in the aromatic ring, as it has been reported for the 

degradation of DEET by anodic Fenton, photolytic processes or photocatalytic 

treatments  [8,21,33,34]. Monohydroxy DEET  further  reacts with  •HO   to  form 

dihydroxylated and trihydroxylated DEET. In this sense, three different isomers 

of  trihydroxy  DEET  have  been  detected  (240‐A,B,C  in  Table  8.2  with  m/z 

240.1234 ‐ 240.1245). In addition, hydroxylated derivatives of DEET degradation 

products were detected. For example, the isomers 222‐A,B in Table 8.2 with m/z 

222.1128  ‐ 222.1129  could be  formed either by hydroxylation of  the 206 TP, or 

from isomers 208‐A,B,C,D through oxidation of the aliphatic chain. In the same 

way,  the  isomers  226‐A,B  (m/z  226.1083  ‐  226.1085)  can  be  generated  by 

hydroxylation of the 178 TP and also from isomers 240‐A,B,C by cleavage of the 

C‐C bond and  subsequent detachment of  the methyl group  from  the aromatic 

Page 312: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

296 

 

ring. These were also identified in previous works [1,4,8].  

Besides, in Scheme 8.2, some of the identified TPs resulted from the opening 

of the aromatic ring due to its breakdown through the  •HO  radical consecutive 

attack on the same carbon atom [8]. Thus, the TP named 182 with m/z 182.1177 

was assigned  to mono‐oxygenated ring opening TP. After  the double attack of 

•HO  on DEET and subsequent ring opening, the decarboxylation  involving the 

loss  of  CO2  and  H2O  would  produce  TP  182  [37]  whose  mono‐  and 

dihydroxylation could lead to the formation of TPs 198‐A,B,C and 214 (with m/z 

198.1129 ‐ 198.1130 and 214.1072), respectively. On the other hand, ozonolysis of 

TP 182 could lead to the formation of the TP 146 (m/z 146.0812) through loss of 

hydrogen peroxide and further  •HO  radical attack [18]. 

Finally, some of  the TPs generated could react with ozone and/or hydroxyl 

radicals to produce short‐chain saturated carboxylic acids (oxalic, acetic, pyruvic 

and formic acids have been detected) which, given their low reactivity towards 

ozone,  eventually would  evolve  to  CO2  and H2O  by  reaction with  •HO   (see 

Scheme 8.3). 

 

Page 313: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

297 

 

Scheme 8.1. Proposed DEET degradation pathway  through •

HO  attack on  the aliphatic 

chain. 

 

 

 

Page 314: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

298 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Scheme 8.2. Proposed DEET degradation pathway through the •

HO  attack on the 

aromatic ring. 

Page 315: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

299 

 

 

Scheme 8.3. Formation of saturated carboxylic acids and mineralization of DEET. 

8.3.5. Kinetic study 

According  to  the  above  results,  during  photocatalytic  ozonation  DEET 

degradation and mineralization is mainly due to  •HO  radical reactions without a 

significant direct participation of neither ozone nor positive holes generated on 

the  irradiated  photocatalyst  surface.  Thus,  the  mechanism  of  generation  of 

hydroxyl radicals can be described by the following reactions and mass transfer 

steps: 

 Ozone mass transfer from the gas flow to the liquid phase: 

 ‐3 ‐1

Lk a 5.1x10 s3g 3O O

  (8.5) 

where  kLa  is  the  volumetric mass‐transfer  coefficient  that was  experimentally 

determined through O3 absorption experiments for the reaction system used in 

this work according to Beltrán in ref. [18]. 

 Ozone dark decomposition: 

 ‐1 ‐1

d1k 70 M s‐ ‐

3 2 2O HO HO O

  (8.6) 

 6 ‐1 ‐1

d2k 2.2x10 M s ‐‐

2 3 2 3HO O HO O HO

  (8.7) 

  ‐pKa 11.4

2 2 2H O H HO   (8.8) 

O3/ HO● HO●

Page 316: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

300 

 

  ••pKa 4.8 ‐

2 2HO O H   (8.9) 

 9 ‐1 ‐1

d3k 1.6x10 M s‐ ‐

3 32O O O HO

  (8.10) 

 Photocatalytic reactions: 

  WO3h , ‐

3WO e h   (8.11) 

 10 1 ‐1

d4k 3.6x10 M s‐ ‐

3 3e O O HO

  (8.12) 

  rk‐3e h WO   (8.13) 

In  this mechanism, ozonide  radical  ( 3O )  readily evolves  to  form hydroxyl 

radical  in  reactions  (8.7),  (8.10)  and  (8.12);  oxygen  is  not  able  to  react  with 

photogenerated electrons according  to  [17], so  this reaction has not been  taken 

into  account.  In  addition,  although H2O2  is decomposed  onto  irradiated WO3 

surface, the results obtained in terms of DEET degradation and mineralization in 

experiments conducted by combining PhC‐O2 + H2O2 (not shown) indicate that 

no reactive species are formed during H2O2 photocatalytic decomposition. 

Hydroxyl  radicals may  react with dissolved ozone  and hydrogen peroxide 

generated according to reactions (8.14) and (8.15):  

 9 ‐1 ‐1

d5k 3.0x10 M s

3 2 2O HO HO O

  (8.14) 

 7 ‐1 ‐1

d6k 2.7x10 M s

2 2 2 2H O HO HO H O

  (8.15) 

All the known rate constants have been previously summarized in [18]. The 

rate constant of ozone‐electrons reaction has been  taken  for hydrated electrons 

from Buxton et al. [31]. 

In  the  presence  of  any  organic  contaminant  at  sufficient  concentration, 

hydroxyl  radicals  will  mainly  react  with  it.  In  terms  of  TOC,  the  reaction 

mechanism  of  DEET  and  TOC  removal  can  be  described  according  to  the 

following lumped reactions: 

Page 317: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

301 

 

 HO ‐TOC1

k

1 2TOC HO TOC   (8.16) 

  HO ‐TOC 2k

2 3 2TOC HO TOC 1 ‐ CO   (8.17) 

 HO ‐TOC 3

k

3 2TOC HO CO

  (8.18) 

where  TOC1  represents  DEET  expressed  in  carbon  units;  TOC3  is  the  total 

organic carbon corresponding to the sum of short‐chain saturated organic acids 

and  formaldehyde  in  solution  detected  during  photocatalytic  ozonation;  and 

TOC2  is the total organic carbon corresponding to the sum of the rest of DEET 

intermediates  detected  by  LC‐qTOF.  In  reaction  (8.17),  the  stoichiometric 

parameter  α  represents  the  TOC2  fraction  that  is  converted  to  TOC3 whereas     

(1‐α) is mineralized to CO2. 

TOC2 can be calculated from the TOC balance: 

  t 1 2 3TOC TOC TOC TOC   (8.19) 

where TOCt is the analyzed total organic carbon in solution at a given time, t. 

Mass balances of each species can be established as follows: 

 Ozone in the gas phase: 

  3g 3g

3gi 3g 3d

O O

g O g O L O

C R T dCC ‐ C ‐ V k a ‐C 1 ‐ V

He dt

  (8.20) 

where g is the gas flow rate; CO3gi and CO3g are the molar ozone concentrations 

in  the gas phase at  the  reactor  inlet and outlet,  respectively; CO3d  is  the molar 

concentration of dissolved ozone; β is the liquid holdup; V the reaction volume; 

R  the  ideal  gas  constant; He  is  the Henry  law  constant  for  the  ozone‐water 

system at the temperature T. 

 

Page 318: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

302 

 

 Ozone in the liquid phase: 

 3g3d

‐3d 4 3d 5 3d

L OOL O d O d Oe HO

k a C R TdC‐ k a C ‐ k C C ‐ k C C

dt He

  (8.21) 

where  Ce‐  is  the  concentration  of  photogenerated  electrons;  CHO∙  the 

concentration  of  hydroxyl  radicals;  and  kd4  and  kd5  the  rate  constants  of 

reactions  (8.12)  and  (8.14),  respectively.  In  this  balance,  the  contributions  of 

reactions  (8.6),  (8.7) and  (8.10) have been neglected according  to  the pH of  the 

reaction medium (from 6 to 4). 

 Photogenerated electrons: 

 ‐

3 4 3d

neWO a d O re h e

dCI k C C k C C

dt   (8.22) 

where WO3 is the apparent quantum yield of WO3 at the wavelength range used 

in this work; Ia is the absorbed radiation flux by the catalyst WO3; the exponent 

n is the order of the reaction with respect to the Ia and depends on the efficiency 

of  e‐/h+  formation  and  recombination  at  the  catalyst  surface  taking  a  value 

between  0.5  and  1 when  the  reaction  is  kinetically  controlled  [38]; Ch+  is  the 

concentration  of  photogenerated  holes  and  kr  is  the  rate  constant  of  e‐/h+ 

recombination  reaction  (8.13).  If  ozone  concentration  is  high  enough,  the 

recombination  process  is  minimized  so  it  can  be  considered  that  all  the 

photogenerated electrons are trapped by dissolved ozone. Then Eq. (8.22) can be 

simplified as: 

 ‐

3 4 3d

neWO a d O e

dCI k C C

dt   (8.23) 

 Hydroxyl radicals: 

 

4 3d 5 3d 6 2 2

1 21 2

33

HOd O d O d H Oe HO HO

TOC TOCHO TOC HO HO TOC HO

TOCHO TOC HO

dCk C C k C C k C C

dtk C C k C C

k C C

  (8.24) 

Page 319: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

303 

 

where  CH2O2  is  the  concentration  of  hydrogen  peroxide  in  the  liquid  phase; 

CTOC1, CTOC2 and CTOC3 are the concentrations corresponding to TOC1, TOC2 and 

TOC3, respectively; and kd6, kHO∙‐TOC1, kHO∙‐TOC2, kHO∙‐TOC3 are the rate constants of 

reactions (8.15), (8.16), (8.17) and (8.18), respectively. 

Eq. (8.24) can be rewritten as follows:  

 4 3d

HOd O i ie HO i

dCk C C C k C

dt

  (8.25) 

where the subscript i represents any species that reacts with hydroxyl radicals. 

For  Eq.  (8.23)  and  (8.25),  net  reaction  rates  were  assumed  to  be  zero 

according  to  the hypothesis of  the  stationary  state  for  transient  species. Thus, 

hydroxyl radical concentration can be expressed as follows: 

 

nWO a3 i

HOsi ii

I rC

kk C

  (8.26) 

In Eq. (8.26) the numerator ri represents the reaction rate of initiation for the 

formation  of  hydroxyl  radicals,  whereas  the  denominator  kS  represents  the 

scavenging factor, taking into account that the species involved in this term are 

only the inhibitors of the chain mechanism of ozone decomposition into  •HO . 

 Total organic carbon mass balances: 

  1

1 11 1

TOC iTOC TOCHO TOC HO HO TOC

s

dC rk C C k C

dt k   (8.27) 

 

2

1 21 2

1 21 2

TOC

TOC TOCHO TOC HO HO TOC HO

iTOC TOCHO TOC HO TOC

s

dCk C C k C C

dt

rk C k C

k

  (8.28) 

Page 320: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

304 

 

 

3

2 32 3

2 32 3

TOC

TOC TOCHO TOC HO HO TOC HO

iTOC TOCHO TOC HO TOC

s

dCk C C k C C

dt

rk C k C

k

  (8.29) 

where kHO∙‐TOC1  is  the  rate constant of DEET‐ •HO   reaction; kHO∙‐TOC2  represents 

the apparent  rate  constant of  the  reaction between TOC2  (DEET  intermediates 

detected  by  LC‐qTOF)  and  •HO   radicals;  and  kHO∙‐TOC3  represent  an  apparent 

rate  constant of  the  reaction between  compounds of TOC3  (formaldehyde and 

oxalic, acetic, pyruvic and formic acids) and  •HO . 

Firstly, the hypothesis of working in excess of ozone was proved by means of 

two different experiments with different ozone concentration at the reactor inlet 

(10  and  20  mg  L‐1).  Results  of  DEET  degradation  and  mineralization  are 

represented  in  Figure  8.9(A) where  it  can  be  noticed  the  similar  evolution  of 

DEET and TOC regardless of the ozone concentration used.  

Thus,  to  solve  the proposed model  for TOC evolution,  the  initiation  rate  ri 

was determined  in  an  experiment of photocatalytic ozonation of pCBA  in  the 

presence of oxalic acid. In this system, pCBA is a  •HO  probe which has very low 

reactivity with ozone but readily reacts with  •HO  (see rate constants in Table 8.1) 

[39].  Oxalic  acid  was  used  in  this  experiment  at  high  concentration  as  •HO  

scavenger. Thus, in the presence of both compounds, the evolution of pCBA can 

be expressed as: 

 

pCBA ipCBA pCBAHO pCBA HO HO pCBA

s

ipCBAHO pCBA

OxalHO Oxal

dC rk C C k C

dt k

rk C

k ∙C

  (8.30) 

where  CpCBA  and  COxal  are  the  concentrations  of  pCBA  and  oxalic  acid, 

respectively; kHO∙‐pCBA and kHO∙‐Oxal are the rate constants in Table 8.1 (kHO∙‐Oxal = 

4.6x106 M‐1  s‐1,  at  pH  =  4).  In  this  equation,  oxalic  acid  is  considered  as  an 

Page 321: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

305 

 

inhibitor of the chain mechanism of ozone decomposition into  •HO  radicals [40]. 

Integration of Eq.  (8.30)  leads  to Eq.  (8.31) which  simplifies  to Eq.  (8.32)  since 

oxalic  acid  remains  virtually  constant while  pCBA  is  depleted  and  ri will  be 

constant at the conditions used: 

  0

0

tpCBA HO ‐pCBA i

pCBA OxalHO ‐Oxal t

kC rLn dt

C k C

  (8.31) 

  0pCBA HO ‐pCBAi

pCBA OxalHO ‐Oxal

kCLn r t

C k C

  (8.32) 

The representation of Eq. (8.32)  is depicted  in Fig. 8.9(B), and the calculated 

value for ri is indicated in Table 8.4. 

Table  8.4.  Kinetic  parameters  and  correlation  coefficient  of  the  model  proposed  for    

PhC‐O3 DEET mineralization 

Parameter  Value 

ri (M s‐1)  2.07x10‐8 

kHO∙‐TOC1 (M‐1 s‐1)  5x109 

kHO∙‐TOC2 (M‐1 s‐1)  1.3x109 

kHO∙‐TOC3 (M‐1 s‐1)  4x108 

α  0.62 

R2  0.993 

 

Page 322: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

306 

 

0 1x107 2x107 3x107 4x1070.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ln(C

pCB

A ,

0/C

pCB

A)

kHO· - pCBA·t/(kHO· - Oxal·COxal) (M-1s)

Slope = 2.07x10-8 +/- 3.69x10-10

R2 = 0.996

(B)

0 15 30 45 60 75 90 105 1200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

0

TIME (min)

(A)

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 8.9. Determination of kinetic parameters. (A) Time evolution of DEET (triangles) 

and  TOC  (circles)  normalized  concentrations  during  PhC‐O3  at  different O3  inlet  gas 

concentration. Symbols: ,  10 mg L‐1; ,  20 mg L‐1. (B) ri determination from pCBA‐

oxalic acid experiment  through data  fitting  to Eq.  (32).  (C)  ks determination  from TOC 

evolution. Symbols:  TOC1 (line shows fitting of Eq. (33));  TOCt (line shows fitting to 

apparent 1st order kinetics);  ks. Experimental conditions: CDEET,0 = 15 mg L‐1; pH0 = 6;    

V  =  0.5  L ;  Qg  =  15  L  h‐1;  CO3,g  =  10  mg  L‐1;  *I  =  550  W  m−2;  *CWO3  =  0.25  g  L‐1;               

*CpCBA,0 = 5 mg L‐1; *COxal,0 = 0.01 M (*if applied). 

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

ks=3.67x104·exp(1.84x10-4·t)

Slope (TOCt) = 1.84x10-4+/- 6.35x10-6

R2 = 0.992

ln(C

TO

C,0

/CT

OC

)

Time (s)

Slope (TOC1) = 2.82x10-3 +/- 6.24x10-5

R2 = 0.998

(C)

2.0x104

4.0x104

6.0x104

8.0x104

1.0x105

1.2x105

1.4x105

k s (

s-1)

Page 323: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

307 

 

During photocatalytic ozonation of DEET, the scavenging factor, kS could not 

be  considered  constant.  This  scavenging  factor  will  involve  all  the  species 

reacting  with  hydroxyl  radicals  that  inhibit  the  ozone  decomposition 

mechanism. During the first moments, when DEET concentration is high and no 

mineralization is observed, kS can be determined from integrated Eq. (8.27): 

 10

11

TOCi

HO ‐TOCTOC s

C rLn k ∙t

C k   (8.33) 

As  observed  in  Fig.  8.9(C),  kS was  found  to  be  3.67x104  s‐1  (for  the  initial 

moments of reaction)  from plotting and  fitting experimental data  to Eq.  (8.33). 

However, since the composition of the reaction medium changes with time, this 

kS  value  is  not  valid  for  the  entire  reaction  period.  In  general,  as  reaction 

progresses, the concentration of organic intermediates with inhibiting character 

such as oxalic or acetic  acid  increase. Thus,  taking  into  account  that  the main 

organics  involved  in  the  scavenging  factor  are  constituents  of  TOCt,  an 

approximation was done  taking  into account  that kS undergoes an exponential 

variation  with  time  inversely  to  TOCt,  at  t  =  0  being  kS,0  =  3.67x104  s‐1,  as 

calculated for the beginning of the experiment. The evolution of ln(CTOC,0/CTOC) 

and kS with  time  is depicted  in Fig. 8.9(C),  the  selected  fitting equation  for kS 

being: 

  4 4sk 3.67x10 exp 1.84x10 t)   (8.34) 

With all these calculated data, differential Eqs. (8.27), (8.28) and (8.29) can be 

simultaneously solved. For that purpose, kHO∙‐TOC3 apparent rate constant of the 

reaction between compounds of TOC3 (formaldehyde and oxalic, acetic, pyruvic 

and  formic  acids)  and  •HO   radicals,  has  been  calculated  as  an  average  value 

taking  into account their  individual rate constants [31]. Values of kHO∙‐TOC1 and 

kHO∙‐TOC3 are summarized  in Table 8.4. The other values, kHO∙‐TOC2 and α, were 

used as fitting parameters to minimize the difference between experimental data 

Page 324: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

308 

 

and those calculated with the proposed model. The resolution of the differential 

equations  was  performed  by  a  fourth‐order  Runge‐Kutta  method  with 

Micromath  Scientist  3.0  software.  Figure  8.10  shows  the  experimental  and 

calculated TOC  evolution. As observed,  the proposed kinetic model  fits  fairly 

well  the experimental  results  (also confirmed by  the R2 value  in Table 8.4).  In 

addition, as expected, for the reaction between TOC2 and  •HO  radicals the value 

of the rate constant obtained (kHO∙‐TOC2) is lower than that of DEET‐ •HO  reaction 

but higher than that of TOC3‐ •HO , which is in accordance with the general trend 

of subsequent lower reactivity of the TPs formed in these type of reactions [31]. 

On the other hand, 62 % of the TOC2 is transformed in TOC3 whereas 38 % can 

be mineralized according to the apparent stoichiometric coefficient α.  

0 15 30 45 60 75 90 105 1200

2

4

6

8

10

12

CT

OC

(mg

L-1

)

TIME (min)

Figure 8.10. Evolution of TOC with time during DEET degradation by PhC‐O3. Symbols:    

 TOCt;  TOC1 (DEET); □ TOC2 (OPs);  TOC3 (Carboxylic acids and formaldehyde); 

lines  are  fitting  results  from  the  TOC  depletion  model.  Experimental  conditions:      

CDEET,0 = 15 mg L‐1; pH0 = 6; V = 0.5 L ; Qg = 15 L h‐1; CO3,g = 10 mg L‐1;  I = 550 W m−2;                            

CWO3 = 0.25 g L‐1. 

The  proposed  kinetic  model  provides  a  simplified  approach  that  can  be 

useful for design purposes, although the nature of the organic pollutant and its 

Page 325: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

309 

 

reactivity with  the different oxidizing  species generated during photocatalytic 

ozonation, together with the operating conditions, will play an important role in 

order  to  extend  the  model  from  this  particular  case  to  more  general 

photocatalytic ozonation studies. 

8.4. CONCLUSIONS 

A synergistic effect between ozone and visible light irradiated WO3 has been 

proved. The highest efficiency of photocatalytic ozonation process compared to 

photocatalysis  and  single  ozonation  is  reflected  in  both, DEET  depletion  and 

mineralization  rates,  hydroxyl  radicals  in  the  bulk  being  the  main  species 

responsible according to scavenging experiments. At the conditions used in this 

work, photocatalytic  ozonation process  led  to  complete  removal  of  15 mg L‐1 

DEET in 15 min with mineralization up to 60 % in 2 h. The detailed study of the 

evolution with  time  of  22  TPs  detected  during  ozonation  and  photocatalytic 

ozonation  allowed  the  proposal  of  a  general  reaction  mechanism  through 

different pathways mainly based on  the hydroxyl  radical  attack. The  reaction 

mechanism  involves  steps of mono‐ and poly‐hydroxylation and/or oxidation, 

de‐alkylation  and  finally opening of  the  aromatic  ring which  evolves  through 

further oxidation,  to  the  formation of  short‐chain  saturated organic  acids  and 

mineralization  to CO2.  The  evolution  of DEET,  intermediates  and  short‐chain 

saturated  organic  acids was  fitted  to  a  lumped  kinetic model  based  on TOC‐

hydroxyl radical reactions and provides a simplified approach  for  this process 

that  can  be  useful  for  design  purposes. However,  the  nature  of  the  organic 

pollutant  and  its  reactivity  towards  the  different  reactive  species  generated 

during photocatalytic ozonation (ozone, hydroxyl radicals, positive holes, etc.); 

as well  as  the  operating  conditions  (pH,  temperature,  radiation  intensity  and 

wavelength,  etc.) would play  an  important  role  in  order  to  extend  the model 

from this particular case and will be considered for a future work. 

 

 

Page 326: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

310 

 

AKNOWLEDGEMENTS 

Authors  thank  the  Spanish  MINECO  and  European  Feder  Funds 

(CTQ2015/64944‐R) and Junta de Extremadura (Ayuda a Grupos Exp. GR15‐033) 

for economic support; and SAEM‐SAIUEX  for  the LC‐qTOF analyses. E. Mena 

thanks the Consejería de Empleo, Empresa e Innovación (Junta de Extremadura) 

and European Social Fund for her FPI grant (Ref. PD12059). 

REFERENCES 

[1]  Antonopoulou,  M.;  Giannakas,  A.;  Deligiannakis,  Y.;  Konstantinou,  I. 

“Kinetic and mechanistic investigation of photocatalytic degradation of the N,N‐

diethyl‐m‐toluamide”. Chem. Eng. J. 231 (2013) 314‐325.  

[2] Costanzo, S.D.; Watkinson, A.J.; Murby, E.J.; Kolpin, D.W.; Sandstrom, M.W.  

“Is  there  a  risk  associated  with  the  insect  repellent  DEET  (N,N‐diethyl‐m‐

toluamide) commonly found in aquatic environments?”. Sci. Total Environ. 384 

(2007) 214‐220. 

[3]  Adams,  W.A.;  Impellitteri,  C.A.  “The  photocatalysis  of N,N‐diethyl‐m‐

toluamide  (DEET)  using  dispersions  of  Degussa  P‐25  TiO2 particles”.  J. 

Photochem. Photobiol. A Chem. 202 (2009) 28‐32.  

[4] Benítez, F.J.; Acero, J.L.; García‐Reyes, J.F.; Real, F.J.; Roldán, G.; Rodríguez, 

E.;  Molina‐Díaz,  A.  “Determination  of  the  reaction  rate  constants  and 

decomposition mechanisms of ozone with  two model emerging contaminants; 

DEET and Nortriptyline”. Ind. Eng. Chem. Res. 52 (2013) 17054‐17073.  

[5]  Petrucci,  N.;  Sardini.  S.  “Severe  toxic  reactions  and  death  following  the 

ingestion  of  diethyltoluamide‐containing  insect  repellents”.  Pediatr.  Emerg. 

Care 16 (2000) 341‐342.  

[6]  Benítez,  F.J.;  Acero,  J.L.;  Real,  F.J.;  Roldán,  G.;  Rodríguez,  E.  “The 

effectiveness  of  single  oxidants  and  AOPs  in  the  degradation  of  emerging 

contaminants  in waters: A comparison study”. Ozone Sci. Eng. 35  (2013), 263‐

272.  

[7] Li, W.; Nanaboina, V.; Zhou, Q.; Korshin, G.V. “Effects of Fenton treatment 

on  the  properties  of  effluent  organic matter  and  their  relationships with  the 

degradation  of  pharmaceuticals  and  personal  care  products”. Water  Res.  46 

(2012) 403‐412. 

[8]  Medana,  C.;  Calza,  P.;  Dal  Bello,  F.;  Raso,  E.;  Minero,  C.;  Baiocchi,  C. 

Page 327: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

311 

 

“Multiple  unknown  degradants  generated  from  the  insect  repellent DEET  by 

photoinduced processes on TiO2”. J. Mass Spectrom. 46 (2011) 24‐40. 

[9]  Mena,  E.;  Rey,  A.;  Acedo,  B.;  Beltrán,  F.J.;  Malato,  S.  “On  ozone‐

photocatalysis  synergism  in  black‐light  induced  reactions:  Oxidizing  species 

production  in  photocatalytic  ozonation  versus  heterogeneous  photocatalysis”. 

Chem. Eng. J. 204‐206 (2012) 131‐140.  

[10] Agustina, T.E.; Ang, H.M.; Vareek, V.K. “A  review of synergistic effect of 

photocatalysis  and  ozonation  on  wastewater  treatment”.  J.  Photochem. 

Photobiol. C Photochem. Rev. 6 (2005) 264‐273.  

[11] Mena, E.; Rey, A.; Beltrán,  F.J.; Contreras,  S.  “Visible  light photocatalytic 

ozonation of DEET in the presence of different forms of WO3”. Catal. Today 252 

(2015) 100‐106. 

[12]  Tay,  K.S.;  Abd.  Rahman, N.;  Bin  Abas, M.R.  “Degradation  of  DEET  by 

ozonation in aqueous solution”. Chemosphere 76 (2009) 1296‐1302.  

[13]  Bader,  H.;  Hoigné,  J.  “Determination  of  ozone  in  water  by  the  indigo 

method”. Water Res. 15 (1981) 449‐456.  

[14]  Ilisz,  I.;  Bokros, A.; Dombi, A.  “TiO2‐based  heterogeneous  photocatalytic 

water treatment combined with ozonation”. Ozone Sci. Eng. 26 (2004) 585‐594.  

[15] Masschelein, W.; Denis, M.; Ledent, R. “Spectrophotometric determination 

of residual hydrogen peroxide”. Water & Sewage Works (1977) 69‐72. 

[16]  Flyunt,  R.;  Leitzke,  A.;  Mark,  G.;  Mvula,  E.;  Reisz,  E.;  Schick,  R.;  von 

Sonntag,  C.  “Determination  of •OH, O2•‐,  and  hydroperoxide  yields  in  ozone 

reactions in aqueous solution”. J. Phys. Chem. B 107 (2003) 7242‐7253.  

[17] Nishimoto, S.; Mano, T.; Kameshima, Y.; Miyake, M. “Photocatalytic water 

treatment over WO3 under visible  light  irradiation  combined with ozonation”. 

Chem. Phys. Lett. 500 (2010) 86‐89.  

[18] Beltrán, F.J.  “Ozone  reaction kinetics  for water and wastewater  systems”. 

Boca Raton, CRC Press, 2004, Florida (USA).  

[19] Sánchez, L.; Domènech, X.; Casado, J.; Peral, J. “Solar activated ozonation of 

phenol and malic acid”. Chemosphere 50 (2003) 1085‐1093.  

[20]  Quiñones,  D.H.;  Rey,  A.;  Álvarez,  P.M.;  Beltrán,  F.J.;  Plucinski,  P.K. 

“Enhanced activity and reusability of TiO2 loaded magnetic activated carbon for 

solar photocatalytic ozonation”. Appl. Catal. B Environ. 144 (2014) 96‐106.  

[21]  Song, W.;  Cooper, W.  J.;  Peake,  B. M.; Mezyk,  S.  P.;  Nickelsen, M.  G.; 

O’Shea, K. E. “Free‐radical‐induced oxidative and  reductive degradation of N, 

Page 328: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

CAPÍTULO 8 (CHAPTER 8)   

312 

 

N′‐diethyl‐m‐toluamide  (DEET):  Kinetic  studies  and  degradation  pathway”. 

Water Res. 43 (3) (2009) 635−642. 

[22] Yao, C.C.D.; Haag, W.R. “Rate constants for direct reactions of ozone with 

several drinking water contaminants”. Water Res. 25 (1991) 761‐773.  

[23] Alam, M.S.; Rao, B.S.M.;  Janata, E.  “OH  reactions with aliphatic alcohols: 

evaluation  of  kinetics  by  direct  optical  absorption  measurement.  A  pulse 

radiolysis study”. Radiat. Phys. Chem. 67 (2003) 723‐728. 

[24]  Johnson, P.N.;   Davis, R.A. “Diffusivity of ozone  in water”.  J. Chem. Eng. 

Data 41 (1996) 1485‐1487.  

[25] Froment, G.F.; Bischoff, K.B. “Chemical reactors analysis and design”. John 

Wiley & Sons, 1979, New York (USA).  

[26] Staehelin, S.; Hoigné, J. “Decomposition of ozone in water: rate of initiation 

by hydroxide ions and hydrogen peroxide”. Environ. Sci. Technol. 16 (1982) 666‐

681.  

[27] Beltrán, F.J.; Aguinaco, A.; García‐Araya,  J.F. “Mechanism and kinetics of 

sulfamethoxazole photocatalytic ozonation in water”. Water Res. 43 (2009) 1359‐

1369. 

[28] Zhang, L.S.; Wong, K.H.; Zhang, D.Q.; Hu, C.;  J.C. Yu, C.Y. Chan, Wong, 

P.K.  “Zn:In(OH)ySz solid  solution nanoplates:  Synthesis,  characterization,  and 

photocatalytic mechanism”. Environ. Sci. Technol. 43 (2009) 7883‐7888.  

[29]  Rodríguez,  E.M.;  Márquez,  G.;  Tena,  M.;  Álvarez,  P.M.;  Beltrán,  F.J. 

“Determination of main species involved in the first steps of TiO2 photocatalytic 

degradation of organics with the use of scavengers: The case of ofloxacin”. Appl. 

Catal. B Environ. 178 (2015) 44‐53.  

[30] Hoigné, J.; Bader, H. “Rate constants of reactions of ozone with organic and 

inorganic  compounds  in water—II:  Dissociating  organic  compounds”. Water 

Res. 17 (1983) 185‐194.  

[31]  Buxton,  G.V.;  Greenstock,  C.L.;  Helman,  W.P.  “Critical  review  of  rate 

constants  for  reactions  of  hydrated  electrons,  hydrogen  atoms  and  hydroxyl 

radicals (.OH/.O−)  in aqueous solution”. J. Phys. Chem. Ref. Data 17 (1988) 513‐

886.  

[32] Coelho, A. D.; Sans, C.; Agüera, A.; Gomez, M.J.; Esplugas, S.; Dezotti, M. 

“Effects  of  ozone  pre‐treatment  on diclofenac:  Intermediates,  biodegradability 

and toxicity assessment”. Sci. Total Environ. 407 (2009) 3572−3578.  

[33] Zhang, H.;  Lemley, A.  T.  “Reaction mechanism  and  kinetic modeling  of 

DEET degradation by flow‐through anodic Fenton treatment (FAFT)”. Environ. 

Page 329: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

PAPER 6: Reaction mechanism and kinetics of DEET  

                                                            visible light assisted photocatalytic ozonation with WO3 catalyst 

313 

 

Sci. Technol. 40 (2006) 4488−4494.  

[34] Calza, P.; Medana, C.; Raso, E.; Giancotti, V.; Minero, C. “N,N‐diethyl‐m‐

toluamide  transformation  in  river  water”.  Sci.  Total  Environ.  409  (2011) 

3894−3901.  

[35] Leitzke, A.; von Sonntag, C. “Ozonolysis of unsaturated acids  in aqueous 

solution: Acrylic, methacrylic, maleic,  fumaric and muconic acids”. Ozone Sci. 

Eng. 31 (2009) 301‐308. 

[36] Aguinaco, A.; Beltrán, F.J.; Sagasti, J.J.P.; Gimeno, O. “In situ generation of 

hydrogen  peroxide  from  pharmaceuticals  single  ozonation:  A  comparative 

study of its application on Fenton like systems”. Chem. Eng. J. 235 (2014) 46‐ 51.  

[37] Beltrán, F.J.; Gimeno, O.; Rivas, F.J.; Carbajo, M. “Photocatalytic ozonation 

of gallic acid in water”. J. Chem. Technol. Biotechnol. 81 (2006) 1787‐1796. 

[38] Malato, S.; Fernández‐Ibáñez, P.; Maldonado, M.I.; Blanco,  J.; Gernjak, W. 

“Decontamination  and  disinfection  of  water  by  solar  photocatalysis:  Recent 

overview and trends”. Catal. Today 147 (2009) 1‐59.  

[39]  Elovitz,  M.S.;  von  Gunten,  U.  “Hydroxyl  radical/ozone  ratios  during 

ozonation processes. I. The Rct concept”.  Ozone Sci. Eng. 21 (1999) 239‐260.  

[40]  Leitner, N.K.V.; Doré, M.  “Mecanisme  dʹaction  des  radicaux OH sur  les 

acides  glycolique,  glyoxylique,  acetique  et  oxalique  en  solution  aqueuse: 

Incidence  sur  la  consammation  de  peroxyde  dʹhydrogene  dans  les 

systemes H2O2‐UV et O3‐H2O2”. Water Res. 31 (1997) 1383‐1397. 

Page 330: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

Page 331: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 9 Conclusiones

En este capítulo se presentan las conclusiones más relevantes que se han ido extrayendo a partir de los resultados obtenidos en el desarrollo del trabajo de investigación que ha dado lugar a la presente Tesis Doctoral.

Page 332: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS
Page 333: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                              Conclusiones 

317 

 

La  realización  de  esta  Tesis  Doctoral  ha  tenido  como  objetivo  principal 

contribuir  al  desarrollo  de  nuevas  estrategias  para  el  tratamiento  de 

contaminantes emergentes en aguas, centrándose en el proceso de ozonización 

fotocatalítica como alternativa eficiente para su eliminación aprovechando la luz 

solar como fuente de radiación y sintetizando fotocatalizadores que permitan un 

mayor  aprovechamiento  de  la  misma.  Para  lograr  este  objetivo  general  se 

plantearon una serie de objetivos específicos, tal como se detalla en el Capítulo 1 

de  este  trabajo.  A  continuación  se  presentan  las  conclusiones  generales 

obtenidas en función del objetivo perseguido. 

I) En  primer  lugar,  del  estudio  realizado  con  el  fin  de  demostrar  y 

justificar la mayor eficacia del tratamiento de ozonización fotocatalítica frente a 

los  procesos  individuales  (fotocatálisis  heterogénea  y  ozonización  simple),  se 

concluye que: 

‐ Los  resultados  obtenidos  sobre  la producción de  especies  oxidantes  en  los 

distintos procesos ha permitido  establecer  la  importancia de  las  reacciones 

directas  e  indirectas  del  ozono  y  la  sinergia  entre  sistemas.  A  pH  ácido, 

cuando las reacciones indirectas de ozono son despreciables, el ozono ejerce 

un efecto positivo en  la velocidad de  formación de especies oxidantes  foto‐

generadas,  aumentando  el  rendimiento  cuántico  de  0,34 mol  einstein‐1  en 

fotocatálisis a  0,80 mol  einstein‐1  en ozonización  fotocatalítica. A pH  =  7  el 

incremento  fue mucho mayor  (de 0,29 a 3,27 mol einstein‐1), si bien en este 

caso  no  puede  descartarse  la  contribución  del  ozono  por  vía  indirecta.  El 

aumento del rendimiento cuántico en presencia de ozono, responsable de la 

sinergia observada en el proceso combinado,  se debe  fundamentalmente al 

desempeño  del  ozono  como  aceptor  de  electrones  del  semiconductor 

irradiado, minimizando así el proceso de recombinación.  

II) En  segundo  lugar,  del  estudio  realizado  sobre  la  síntesis  de  nuevos 

fotocatalizadores  con vistas  a  incrementar  el  aprovechamiento de  la  radiación 

solar  en  la  degradación mediante  ozonización  fotocatalítica  de  contaminantes 

emergentes en agua pura y agua residual, puede concluirse que: 

Page 334: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 9   

318 

 

‐ El óxido de wolframio WO3 ha demostrado ser un material activo y estable 

en  la  degradación  de  contaminantes  en  agua  en  presencia  de  ozono 

empleando tanto  luz visible como radiación solar. A diferencia del oxígeno, 

el  ozono  es  capaz  de  reaccionar  con  los  electrones  fotogenerados  en  la 

superficie  irradiada  del  semiconductor.  Las  formas  monoclínica  y 

ortorrómbica del WO3 son  las más activas, viéndose  la actividad  favorecida 

por la presencia de estados reducidos o vacantes de oxígeno en la estructura 

del WO3,  lo  que  favorece  el  transporte  de  electrones  en  la  superficie  del 

catalizador. Los  resultados  indican  que  son  los  parámetros  estructurales  y 

superficiales  y  no  el  desarrollo  de  superficie  específica  los  que  juegan  un 

papel más  importante  en  la  actividad del material. Bajo  luz visible,  con  el 

mejor material  de  esta  serie  se  obtuvo,  en  función  de  las  condiciones  de 

ensayo, un consumo específico de ozono de 15 ‐ 49 mg O3/mg COT eliminado 

para  conseguir  una  mineralización  del  50  %  mediante  ozonización 

fotocatalítica, empleando DEET como compuesto de prueba. 

‐ Los  resultados  sobre  síntesis  y  aplicación  de  óxidos  de  cerio  CeO2  con 

distinta morfología (nanovarillas y nanocubos),  indican que las nanovarillas 

de  CeO2,  por  su mayor  área  superficial  irradiada  y  la mayor  cantidad  de 

defectos  superficiales  y  vacantes de  oxígeno  (lo  que  condujo  a una menor 

energía de salto de banda), presentan una mayor actividad con respecto a los 

nanocubos en  la ozonización  fotocatalítica bajo  luz visible. Por el contrario, 

bajo radiación solar la presencia en los nanocubos de caras {100} expuestas les 

confiere una mayor actividad fotocatalítica intrínseca. Con el mejor material 

de entre los preparados en esta serie se obtuvo, en las condiciones de ensayo 

y empleando  tanto  luz visible como radiación solar, un consumo específico 

de ozono de 70 mg O3/mg COT eliminado para conseguir una mineralización 

del  50  %  mediante  ozonización  fotocatalítica  empleando  DEET  como 

compuesto de prueba. 

‐ De la síntesis y aplicación de catalizadores compuestos de WO3‐TiO2 con un 

4 % en peso de WO3 sobre dos soportes de TiO2 con distintas propiedades 

Page 335: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

                                                                                                              Conclusiones 

319 

 

estructurales y  texturales  (TiO2 comercial P25 y nanotubos de TiO2, NT), se 

deduce que bajo luz solar ambos materiales resultaron más eficientes que sus 

precursores en la degradación de contaminantes emergentes en agua residual 

mediante  ozonización  fotocatalítica,  siendo  el  material  NT‐WO3  el  que 

presentó  un mejor  comportamiento.  Este  catalizador  estaba  compuesto  de 

partículas  alargadas de  anatasa, una  estructura porosa muy desarrollada y 

una alta dispersión de especies WOx. Estas propiedades provocan un mejor 

aprovechamiento  de  la  radiación  solar  visible  y,  además,  una  mayor 

capacidad de adsorción de compuestos orgánicos en comparación con el TiO2 

P25. Con este material, en las condiciones de ensayo y bajo radiación solar se 

obtuvo  un  consumo  específico  de  ozono  de  19 mg O3/mg COT  eliminado 

para conseguir una mineralización del 50 % de un efluente de EDAR dopado 

con contaminantes emergentes mediante ozonización fotocatalítica. 

‐ Con  independencia  de  las  condiciones  de  ensayo,  de  la  naturaleza  de  la 

matriz acuosa y del tipo de radiación (luz visible o radiación solar), todos los 

catalizadores  sintetizados  favorecieron  la  sinergia  entre  el  ozono  y  el 

semiconductor. Atendiendo  al  comportamiento  de  los  distintos materiales 

bajo luz visible, para el siguiente estudio se seleccionó por su mejor consumo 

específico de ozono, un catalizador de WO3 con estructura monoclínica. 

III)  Para  finalizar,  al  objeto  de  profundizar  en  el  comportamiento  de  los 

catalizadores  de WO3  en  la  degradación  de  contaminantes  en  agua mediante 

ozonización fotocatalítica bajo  luz visible y, con ello, poder proponer para este 

sistema un modelo  cinético,  se  identificaron  las principales  especies oxidantes 

involucradas  y  los  intermedios  de  reacción  generados  en  la  degradación  del 

DEET, compuesto modelo elegido debido a su baja reactividad  frente al ozono 

molecular. Los resultados obtenidos indican que: 

‐ Bajo  luz  visible  los  radicales  hidroxilo  en  el  seno  del  líquido  son  las 

principales  especies  involucradas  en  la  degradación  y  mineralización  de 

DEET mediante ozonización  fotocatalítica. De  forma general,  en  el  caso de 

contaminantes que presenten una alta reactividad frente al ozono molecular 

Page 336: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

CAPÍTULO 9   

320 

 

este  jugará  un  papel  en  la  eliminación  de  los  mismos,  mientras  que  los 

radicales  hidroxilo  serán  fundamentales  en  la  mineralización  de  los 

intermedios más refractarios al ozono.  

‐ Los  intermedios  de  degradación  de DEET mediante  ozonización  simple  y 

fotocatalítica  fueron  prácticamente  los  mismos,  lo  que  ha  permitido 

establecer  un  mecanismo  de  reacción  basado  en  el  ataque  del  radical 

hidroxilo  y  que  transcurre  a  través  de  la  mono‐  y  poli‐hidroxilación  y 

oxidación,  de‐alquilación  y,  finalmente,  apertura  del  anillo  aromático, 

conduciendo  a  la  formación  de  ácidos  orgánicos  de  cadena  corta  y  la 

mineralización a CO2.  

‐ En base al mecanismo propuesto y al papel mayoritario del radical hidroxilo 

en  el mismo,  se  desarrolló  un modelo  cinético  en  términos  de  COT  que 

permite simular la concentración de DEET, la de sus principales intermedios 

de degradación y la de los ácidos orgánicos de cadena corta, proporcionando 

un  enfoque  simplificado  del  proceso  de  ozonización  fotocatalítica.  No 

obstante, la naturaleza del contaminante orgánico, su reactividad frente a las 

distintas  especies  reactivas  en  el  proceso  (ozono,  radical  hidroxilo,  huecos 

positivos, etc.), así como las condiciones de operación (pH, temperatura, tipo 

de  radiación empleada,  intensidad, etc.),  jugarán un papel muy  importante 

para poder extender el modelo más allá de este caso en particular. 

 

Page 337: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

NOMENCLATURA 

 

  

 

 

 

 

A  Constante  en medidas  de  espectroscopía  ultravioleta‐visible  de 

reflectancia difusa 

Absm  Absorbancia de una muestra 

Abs0  Absorbancia del blanco 

act  Actinómetro 

BC  Banda de conducción de un semiconductor 

BV  Banda de valencia de un semiconductor 

c  Camino óptico en la Ley de Beer 

C  Contaminante orgánico genérico 

Ci  Concentración de un compuesto i en disolución acuosa 

Ci,0  Concentración inicial de un compuesto i en disolución acuosa 

Ci,g  Concentración de un compuesto i en fase gas 

CI  Carbono inorgánico 

COT  Carbono orgánico total 

CT  Carbono total 

d  Distancia interplanar en medidas de difracción de rayos X 

DBO  Demanda biológica de oxígeno 

Page 338: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Nomenclatura             

322 

 

DBO5  Demanda biológica de oxígeno tras 5 días de incubación 

DEET  N,N‐dietil‐meta‐toluamida 

DMA  Directiva Marco Europea del Agua 

DQO  Demanda química de oxígeno 

e   Electrón 

BCe   Electrón  generado  en  la  banda  de  conducción  de  un 

semiconductor 

se   Electrón móvil que migra a la superficie del semiconductor 

Te   Electrón atrapado formando un estado de menor movilidad 

EDAR  Estación depuradora de aguas residuales 

Eg  Energía de salto de banda de un semiconductor 

h  Constante de Planck 

h   Hueco positivo 

BVh   Hueco  positivo  generado  en  la  banda  de  valencia  de  un 

semiconductor 

sh   Hueco positivo móvil que migra a la superficie del semiconductor 

Th   Hueco  positivo  atrapado  formando  un  estado  de  menor 

movilidad 

He  Constante de Henry 

HO     Ion hidróxido 

•HO     Radical hidroxilo 

sHO   Radical hidroxilo superficial 

2HO  Ion hidroperóxido 

2HO   Radical hidroperóxido 

h Radiación 

IBP  Ibuprofeno 

Ii  Intensidad de pico en medidas de espectroscopía  fotoelectrónica 

de rayos X 

Page 339: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Nomenclatura 

323 

 

I0  Intensidad de radiación incidente 

K  Constante relativa al factor de forma de un cristal en medidas de 

difracción de rayos X en la ecuación de Scherrer 

kHO‐C  Constante  de  reacción  entre  los  radicales  hidroxilo  y  un 

contaminante orgánico C 

kL  Coeficiente individual de transferencia de materia 

kLa  Coeficiente  volumétrico de transferencia de materia 

kO3‐C  Constante de  reacción directa entre el ozono y un  contaminante   

orgánico C 

L  Paso  efectivo  de  radiación  a  través  del  reactor  en  medidas 

actinométricas 

  o tamaño de cristal en medidas de difracción de rayos X 

LD  Límite de detección 

n  Exponente que  toma el valor de ½ para  transiciones electrónicas 

directas  en  medidas  de  espectroscopía  ultravioleta‐visible  de 

reflectancia difusa 

  u orden de difracción en medidas de difracción de rayos X 

NCA  Normas de calidad ambiental 

ni  Número  de  átomos  por  cm3  del  elemento  i  en  medidas  de 

espectroscopía fotoelectrónica de rayos X 

NT  Nanotubos 

2sO   Ion oxígeno terminal de la red de un semiconductor 

2O     Radical superóxido 

3O     Radical ozónido 

O3dis  Ozono disuelto 

OMS  Organización Mundial de la Salud 

PAO  Proceso avanzado de oxidación 

pHPZC  pH del potencial de carga cero 

PNCA  Plan Nacional de Calidad de las Aguas 

PNRA  Plan Nacional de Reutilización de Aguas 

PT  Contenido en fósforo total 

P25  Catalizador de TiO2 comercial P25 (Aeroxide®) 

Page 340: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Nomenclatura             

324 

 

Qg  Caudal de gas 

R  Valor de reflectancia medida respecto a la unidad en medidas de 

espectroscopía ultravioleta‐visible de reflectancia difusa 

Si  Factor  de  sensibilidad  atómica  en  medidas  de  espectroscopía 

fotoelectrónica de rayos X 

T  Temperatura 

tR  Tiempo de retención 

u.a.  Unidades arbitrarias 

US‐EPA  Agencia  de  los  Estados  Unidos  para  la  protección  del 

Medioambiente 

UV  Radiación ultravioleta 

UVA  Radiación ultravioleta A 

UVB  Radiación ultravioleta B 

UVV  Radiación ultravioleta de vacío 

V  Volumen de reacción 

VINY  Volumen de inyección 

Vm  Volumen de muestra 

VT  Volumen total 

  Coeficiente  de  absorción  en  medidas  de  espectroscopía 

ultravioleta‐visible de reflectancia difusa 

  Anchura  a  la  mitad  de  la  intensidad  máxima  de  un  pico 

seleccionado en medidas de difracción de rayos X 

H  Variación de entalpía 

G  Variación de entropía 

  Coeficiente de extinción molar en la Ley de Beer 

  Rendimiento cuántico de una reacción fotoquímica 

hv  Rendimiento cuántico de foto‐generación de especies oxidantes 

  Longitud de onda de la radiación 

Frecuencia  de  la  radiación  en  medidas  de  espectroscopía 

ultravioleta‐visible de reflectancia difusa 

2 Ángulo de difracción en medidas de difracción de rayos X 

 

Page 341: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

 

 

 

 

 

NOMENCLATURE 

 

  

 

 

 

 

A  Pre‐exponential constant in the Arrhenius equation 

AAP  Acetaminophen 

ANT  Antipyrine 

AOP  Advanced oxidation process 

a.u.  Arbitrary units 

BOD  Biological oxygen demand 

BOD5  Biological oxygen demand during 5 days of incubation 

CAF  Caffeine 

CAR  Carbamazepine 

CAT  Catalyst 

CB  Conduction band in a semiconductor 

Ci  Concentration of a compound i in the liquid phase 

Ci,0  Initial concentration of a compound i in the liquid phase 

Ci,g  Concentration of a compound i in the gas phase 

Ci,g inlet  Inlet concentration of a compound i in the gas phase 

COD  Chemical oxygen demand 

Page 342: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Nomenclature             

326 

 

DCF  Diclofenac 

DEET  N,N‐diethyl‐meta‐toluamide 

DO3  Ozone diffusivity in water 

DR‐UV‐Vis  Diffuse reflectance UV‐Vis spectroscopy 

E  Degree of reaction rate enhancement 

e   Electron 

aqe   Electron in the aqueous phase 

Ea  Activation energy 

EC  Emerging contaminant 

Eg  Optical energy band gap of a semiconductor 

FS  Integrated absorption fraction of radiation 

h   Positive hole 

Ha  Hatta number 

HCT  Hydrochlorothiazide 

He  Henry’s constant 

•HO     Hydroxyl radical 

sHO   Surface bounded hydroxyl radical 

2HO   Hydroperoxide radical 

HPLC‐DAD  High‐performance liquid chromatography – Diode Array detector 

HPLC‐qTOF  High‐performance  liquid  chromatography  – quadrupole  time  of 

flight 

h Radiation 

I  Photon flux 

Ia  Photon flux absorbed by the catalyst 

IBP  Ibuprofen 

IC  Inorganic carbon 

ICP‐OES  Inductively coupled plasma – optical emission spectrometry 

Ii  Intensity of a Raman peak at i cm‐1. 

INT  Intermediate organic compound 

Page 343: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Nomenclature 

327 

 

I0  Incident photon flux 

k  Kinetic constant 

KET  Ketorolac 

kHO‐i  Rate constant for the reaction between i and hydroxyl radical 

kL  Individual liquid phase mass transfer coefficient 

kLa  Volumetric mass transfer coefficient 

kO3‐i  Rate constant for the reaction between i and ozone 

kS  Scavenging factor 

kTOC  Pseudo‐first order apparent rate constant of TOC removal 

L  Crystal size 

LC50  Lethal  concentration  of  a  substance  expected  to  kill  50  %  of 

organisms in a given population under a defined set of conditions 

M  Mass 

max  Maximum 

MTP  Metoprolol 

MWW  Municipal wastewater 

MWWTP  Municipal wastewater treatment plant 

n  Reaction order 

NC  Nanocubes 

NT  Nanotubes 

NR  Nanorods 

2

2

TiOO   Terminal oxygen ion of the TiO2 lattice 

2O     Superoxide radical 

3O     Ozonide radical 

O3d  Dissolved ozone 

O3g  Ozone in the gas phase at the reactor outlet 

O3gi  Ozone in the gas phase at the reactor inlet 

Oxal  Oxalic acid 

pCBA  p‐chlorobenzoic acid 

Page 344: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

Nomenclature             

328 

 

PhC‐O2  Photocatalytic oxidation 

PhC‐O3  Photocatalytic ozonation 

pHPZC  pH at the point of zero charge 

PPCP  Pharmaceutical and Personal Care Product 

P25  Commercial TiO2 P25 (Aeroxide®) 

Qg  Gas flow rate 

R  Universal gas constant 

rHO‐O3  Rate of ozone indirect reactions 

rhv  Rate of photocatalytic reactions 

ri  Rate of reaction or formation of i 

rO3  Rate of ozone direct reactions 

RTE  Radiation transfer equation 

SBET  BET surface area 

SEM  Scanning electron microscopy 

SFM  Sulfamethoxazole 

T  Temperature 

t  Time 

TEM  Transmission electron microscopy 

TGA‐DTA  Thermal gravimetric and differential temperature analysis 

TP  Transformation product 

TOC  Total organic carbon 

TOC,a  TOC corresponding to short‐chain organic acids 

u.a.  Units of absorbance 

UV  Ultraviolet radiation 

UVA  Ultraviolet A radiation 

UVC  Ultraviolet C radiation 

V  Reaction volume 

VB  Valence band in a semiconductor 

Vis  Visible 

Vp  Pore volume 

Page 345: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS

  Nomenclature 

329 

 

v/v  Volume fraction 

wt  Weight  

wt/wt  Weight fraction 

XPS  X‐ray photoelectron spectroscopy 

XRD  X‐ray diffraction 

z  Stoichiometric coefficient of a reaction 

  Stoichiometric  parameter  that  represents  the  fraction  of  TOC 

converted 

  Liquid holdup 

  Increment 

  Molar extinction coefficient 

i  Quantum yield of the photocatalytic reaction of i 

hv  Quantum yield of photo‐generated oxidizing species 

Photonic efficiency 

lim  Limiting photonic efficiency 

  Radiation wavelength 

g  Gas flow rate 

2 Diffraction angle in XRD analysis 

 

 

 

Page 346: SISTEMAS CATALÍTICOS BASADOS EN DISTINTOS