Zunilda Noemy Cabrera Del Carpio De Morales; Esequiel Nicolas Collado Cardenas; Luis Alberto Alvarez Soto; Juan Carlos Negron Lopez; Silvio Henry Nina Ortiz; Aida Ccosi Ale; Braulio Pardo Figueroa Dianderas; Sebastian Pardo Figueroa Dianderas

Objetivo

Estudiar de manera sistemática la interacción entre nanopartículas de ZnO y diferentes contaminantes aromáticos y fenólicos, considerando condiciones de solvente explicito, mediante el uso de la teoría de funcionales de la densidad dependiente del tiempo (TD-DFT).

Resumen:

La contaminación de aguas se ha vuelto más opresivos con los años porque tanto el crecimiento demográfico como la expansión per cápita del consumo de materiales y energía aumentan las cantidades de desechos que van al ambiente. Asimismo, muchos materiales muy utilizados en la industria como innumerables productos químicos orgánicos sintéticos, no son biodegradables y se acumulan en los efluentes. Por lo que el presente proyecto tiene el objetivo de Estudiar de manera sistemática la interacción entre nanopartículas de ZnO y diferentes contaminantes aromáticos y fenólicos, considerando condiciones de solvente explicito, mediante el uso de la teoría de funcionales de la densidad dependiente del tiempo (TD-DFT). Para ello se utilizarán teorías de la química cuántica utilizando la Teoría Funcional de la Densidad (DFT) integrado a software científico, con los estudios teóricos se pretende comprender la funcionalidad de compuestos nanoestructurados en solvente y su uso en la industria, proponiendo nuevos sistemas específicos para cada contaminante reportado y estudiado, con ello contribuir en disminuir el impacto que tienen algunos compuestos inorgánicos en las aguas.

Palabras clave

Contaminante, Nanopartícula, ZnO, Fotocatálisis, DFT, UNSA, CIENCIACTIVA, CONCYTEC

Problema central

La contaminación de aguas se ha vuelto más opresivos con los años porque tanto el crecimiento demográfico como la expansión per cápita del consumo de materiales y energía aumentan las cantidades de desechos que van al ambiente. Asimismo, muchos materiales muy utilizados en la industria como innumerables productos químicos orgánicos sintéticos, no son biodegradables y se acumulan en los efluentes. Con ello los contaminantes generados por las diferentes industrias en la ciudad de Arequipa se a visto afectada debido a que no se puede remediar fácilmente las aguas residuales industriales y por ello es que no se pueden reutilizar para otros fines. En un estudio de Estados Unidos han aplicado radicales sulfato (SO4-) como antioxidante que puede servir en la degradación de contaminantes orgánicos aromáticos de aguas residuales. Para este estudio se utilizaron métodos computacionales a nivel cuántico mediante el uso de la Teoría Funcional de la Densidad. Un grupo multicentro (Estados Unidos, Israel, China) evaluó el ferrato hexavalente para remover contaminantes aromáticos mediante el desarrollo de un modelo de relación cuantitativa estructura actividad (QSAR) Según recientes investigaciones en Francia y en la India se han encontrado que vienen investigando técnicas electroquímicas para limpiar el agua, éstos orientados a limpiar de Pd, Cd, Ni, Hg. Dentro de los métodos usados se reportan electrodiálisis, electrocoagulación. En China se vienen investigando al quitosán como un removedor de compuestos fenólicos contaminantes, sin embargo mostró baja efectividad. En Perú no se han encontrado estudios publicados sobre técnicas innovadoras para el control de los contaminantes de origen industrial en los últimos cinco años. Sin embargo si existen orientados a los residuos orgánicos caseros. Pari, S., Wang, I. A., Liu, H., & Wong, B. M. (2017). Environmental Science: Processes & Impacts, 19(3), 395-404. Ye, T., Wei, Z., Spinney, R ... & Xiao, R. (2017). Chemical Engineering Journal, 317, 258-266. Vasudevan, S., & Oturan, M. A. (2014). Environmental chemistry letters, 12(1), 97-108. Ngo, H. H., Guo, W., Zhang, J., Liang, S., Ton-That, C., & Zhang, X. (2015). Bioresource technology, 182, 353-363. Heitzinger, K., Rocha, C. A., Quick, et al. (2015). The American journal of tropical medicine and hygiene, 93(3), 501-508

Hipótesis planteada

Con los desarrollos en el campo de la teoría de funcionales de la densidad, en las últimas décadas, lo que nos ha permitido abordar sistemas relativamente grandes (multielectrónicos), así como a través de la teoría de reactividad química de Parr-Pearson, permite la predicción de propiedades electrónicas, desde cálculos “in silico”. Es factible el realizar un análisis mediante métodos mecánico cuánticos de la degradación fotocatalítica de contaminantes aromáticos y fenólicos usando nanopartículas de Óxido de Zinc con potencial uso para el tratamiento de aguas residuales industriales.

Resultados esperados

Se espera que, mediante la evaluación de las nanopartículas de ZnO en solvente con los diferentes contaminantes aromáticos y fenólicos, se pueda comprender la funcionalidad a nivel cuántico seleccionándose diversos contaminantes que presenten mayor afinidad mejorando la eficacia al momento de su aplicación. Obteniendo una información actualizada y optimizada mediante el uso de la Teoría Funcional de la Densidad de las estructuras moleculares de los contaminantes presentes en aguas residuales industriales. También se espera obtener los sistemas interactuantes más estables y desarrollar una escala de propiedades termodinámicas, cinéticas y de reactividad química. Ésto con el posterior uso como degradador de los contaminantes en mención.
Resultados académicos:
1. Implementar el laboratorio con equipos de cómputo de alta performance, pudiendo reducir el tiempo de cálculo y poder estudiar librerías de datos.
2. Comprender el funcionamiento de compuestos fotocatalizadores nanoestructurados como ZnO para el tratamiento de aguas residuales usando herramientas de la química computacional para en el futuro poder diseñar experimentalmente y prontamente ser usadas en las industrias.
3. Formación de recurso humano joven, como 2 tesistas de pregrado y 2 asistentes de investigación que podrán ser futuros investigadores en el área de la química computacional.
4. 02 artículos científicos publicados en revistas internacionales con factor de alto impacto.
5. Incrementar las potenciales capacidades al equipo técnico, en cuanto a las metodologías de química computacional y su aplicación.
6. 01 Ponencias realizada internacionalmente

Impactos esperados

Se espera que los resultados obtenidos contribuyan a lograr una amplia comprensión del mecanismo fotocatalítico de la degradación de los contaminantes aromáticos y fenólicos presentes en aguas residuales industriales de la ciudad de Arequipa, que son considerados como una de las principales fuentes de contaminación hídrica en nuestra región. Y de esta forma contribuir a proponer nuevos métodos de tratamientos de efluentes industriales, mediante el uso de recursos regionales como es el óxido de zinc y fuentes luminosas (Luz Solar).