Nanopartículas de óxido de zinc dopadas con erbio y su capacidad de remoción de colorante azul de metileno en soluciones acuosas

Abstract

La presencia de colorantes sintéticos, entre ellos el azul de metileno, representa un gran reto para el medio ambiente, ya que estos compuestos se caracterizan por su alta estabilidad en el agua, su toxicidad para los ecosistemas y su resistencia a los métodos de tratamiento convencionales. Frente a ello, el empleo de nanopartículas semiconductoras como el óxido de zinc (ZnO), dopadas con elementos de tierras raras, ofrece una alternativa eficiente para procesos de adsorción, optimizando los procesos de remoción de contaminantes en condiciones controladas. El objetivo de este estudio fue evaluar la influencia de nanopartículas de óxido de zinc dopadas con erbio (ZnO:Er) en la remoción de azul de metileno, analizando el efecto de la dosis de adsorbente, la concentración inicial del contaminante y el tiempo de contacto, para identificar las condiciones más favorables de eficiencia. Los ensayos demostraron que la dosis de nanopartículas fue un factor determinante en la eficiencia de remoción. A una concentración de 0.3 g/L de ZnO:Er, se alcanzó una remoción máxima de 85.08% a 120 minutos, manteniéndose en 83.31% a 180 minutos, lo que evidencia estabilidad en el proceso y un equilibrio entre la adsorción y degradación. En contraste, con 0.1 g/L de ZnO:Er, la eficiencia alcanzó únicamente 42.34% a 120 minutos y 41.44% a 180 minutos, reflejando una menor disponibilidad de sitios activos para la remoción. Los análisis estadísticos, incluyendo ANOVA y efectos principales, confirmaron que tanto la dosis del adsorbente como el tiempo de remoción ejercieron efectos significativos sobre la eficiencia, siendo la dosis el factor de mayor impacto. Asimismo, el coeficiente de variación calculado mostró baja dispersión entre los datos, validando la consistencia de los resultados experimentales. De acuerdo con el análisis factorial, el comportamiento del sistema puede representarse mediante un modelo lineal de los efectos principales, en el cual la eficiencia de remoción depende de la dosis y del tiempo, así como de sus interacciones, lo que permite predecir condiciones óptimas de operación. En conclusión, el dopaje con erbio en un 2% potenció las propiedades fotocatalíticas del ZnO, favoreciendo una mayor eficiencia de degradación. La dosis óptima determinada fue de 0.3 g/L de nanopartículas y 120 minutos de contacto, logrando más del 85.1% de remoción. Estos resultados confirman que la modificación estructural del ZnO mediante tierras raras representa una estrategia eficiente para la remediación de contaminantes en descargas acuosas.

The presence of synthetic dyes, including methylene blue, poses a major challenge for the environment, as these compounds are characterized by their high stability in water, their toxicity to ecosystems, and their resistance to conventional treatment methods. In response to this, the use of semiconductor nanoparticles such as zinc oxide (ZnO), doped with rare earth elements, offers an efficient alternative for adsorption processes, optimizing contaminant removal processes under controlled conditions. The objective of this study was to evaluate the influence of erbium-doped zinc oxide nanoparticles (ZnO:Er) on the removal of methylene blue, analyzing the effect of the adsorbent dose, the initial concentration of the contaminant, and the contact time to identify the most favorable conditions for efficiency. The tests showed that the nanoparticle dose was a determining factor in removal efficiency. At a concentration of 0.3 g/L of ZnO:Er, a maximum removal of 85.08% was achieved at 120 minutes, remaining at 83.31% at 180 minutes, which shows stability in the process and a balance between adsorption and degradation. In contrast, with 0.1 g/L of ZnO:Er, the efficiency reached only 42.34% at 120 minutes and 41.44% at 180 minutes, reflecting a lower availability of active sites for removal. Statistical analyses, including ANOVA and principal effects, confirmed that both the adsorbent dose and removal time had significant effects on efficiency, with the dose being the factor with the greatest impact. Likewise, the calculated coefficient of variation showed low dispersion among the data, validating the consistency of the experimental results. According to the factorial analysis, the behavior of the system can be represented by a linear model of the main effects, in which the removal efficiency depends on the dose and time, as well as their interactions, allowing the prediction of optimal operating conditions. In conclusion, doping with 2% erbium enhanced the photocatalytic properties of ZnO, favoring greater degradation efficiency. The optimal dose determined was 0.3 g/L of nanoparticles and 120 minutes of contact, achieving more than 85.1% removal. These results confirm that the structural modification of ZnO using rare earths represents an efficient strategy for the remediation of contaminants in aqueous discharges.