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Ferrous-Assisted Corona Plasma Decolorization of Acid Black 194 and Auramine O in a Continuous-Flow Recirculation System

Este estudio demuestra que un sistema de plasma de corona a presión atmosférica asistido por especies ferrosas en una configuración de recirculación de flujo continuo logra eficazmente más del 97 % de decoloración tanto del colorante azoico Acid Black 194 como del colorante de triarilmetano Auramine O en 90 minutos, con consumos de energía específicos de aproximadamente 40–42 kWh m⁻³.

Autores originales: Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

Publicado 2026-08-31

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CC BY 4.0

Autores originales: Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El agua que ha sido utilizada para teñir telas es uno de los tipos de contaminación más persistentes. Los colores sintéticos utilizados en los textiles están diseñados para ser químicamente resistentes para que no se desvanezcan en la ropa, pero esta misma durabilidad los hace resistentes a la descomposición en ríos o plantas de tratamiento. Cuando estos tintes entran en el medio ambiente, bloquean la luz solar que llega a las plantas acuáticas y pueden dañar la vida acuática. Los métodos tradicionales para limpiar esta agua, como la filtración o el uso de bacterias, a menudo luchan contra estas moléculas persistentes o crean grandes cantidades de lodo que deben ser desechadas. Los científicos han recurrido a procesos de oxidación avanzada, que utilizan poderosas reacciones químicas para descomponer estas moléculas, pero encontrar un método que sea tanto efectivo como eficiente energéticamente sigue siendo un desafío. Un enfoque prometedor consiste en utilizar un tipo de descarga eléctrica llamada plasma, que crea una nube de partículas altamente reactivas capaces de atacar y desmantelar estructuras químicas complejas.

En un estudio reciente, investigadores de universidades de México exploraron una forma de hacer que este tratamiento con plasma sea aún más efectivo añadiendo un simple ayudante químico. Se centraron en dos tipos de tintes textiles muy diferentes: el Negro Ácido 194, que contiene un enlace químico específico conocido como grupo azo, y la Auramina O, que tiene una estructura diferente basada en tres anillos aromáticos. El equipo configuró un sistema donde cinco litros de agua que contenía estos tintes se bombeaban continuamente a través de un reactor. Dentro de este reactor, tres puntas de tungsteno enfrentadas a una placa de acero inoxidable creaban una descarga de corona: un resplandor eléctrico constante y silencioso en el aire justo por encima de la superficie del líquido. Esta descarga genera especies reactivas de oxígeno y nitrógeno, que son moléculas inestables que buscan y descomponen compuestos orgánicos. Para potenciar este proceso, los investigadores añadieron una pequeña cantidad de hierro disuelto en una solución ácida antes de comenzar el tratamiento. El hierro actúa como un catalizador, ayudando a convertir las especies reactivas generadas por el plasma en agentes aún más poderosos que pueden atacar las moléculas de tinte de manera más agresiva.

El experimento duró noventa minutos, con el agua circulando de un lado a otro a través de la zona de tratamiento. Los investigadores monitorearon el color del agua utilizando un sensor de luz que medía cuánta luz absorbía la solución en longitudes de onda específicas. Encontraron que la adición de la solución de hierro causó una caída inmediata y pequeña en el color, probablemente debido a una rápida interacción química entre el hierro y el tinte. Sin embargo, la verdadera transformación ocurrió una vez que se encendió el plasma. A lo largo del tratamiento, el color profundo de ambos tintes se desvaneció drásticamente. Al final de los noventa minutos, la solución que contenía Negro Ácido 194 había perdido el 98.66 por ciento de su color, mientras que la solución de Auramina O perdió el 97.74 por ciento. El agua se volvió casi transparente, un cambio que fue visible a simple vista cuando los líquidos oscuros se convirtieron en una solución transparente.

La velocidad de este proceso de limpieza también fue medida. Los investigadores calcularon que tomó alrededor de catorce minutos para que el Negro Ácido 194 perdiera la mitad de su color, y unos dieciséis minutos para que la Auramina O alcanzara ese mismo punto. Esto sugiere que, aunque los dos tintes tienen estructuras químicas diferentes, el sistema de plasma asistido por hierro pudo degradar ambos con una eficiencia similar. El sistema eléctrico se mantuvo estable durante todo el experimento, operando a una potencia promedio de aproximadamente 139 vatios para el tinte negro y 134 vatios para el tinte amarillo. La energía requerida para tratar un metro cúbico de esta agua se calculó en alrededor de 41 kilovatios-hora para el tinte negro y 40 kilovatios-hora para el tinte amarillo. Estas cifras indican que el sistema es capaz de manejar la tarea sin consumir cantidades excesivas de electricidad, lo cual es un factor crítico para cualquier tecnología destinada al uso en el mundo real.

A medida que los tintes se descomponían, ocurrían otros cambios en el agua. La acidez de la solución aumentó ligeramente, pasando de un nivel neutro a un estado más ácido, lo cual es una señal común de que se están formando nuevos subproductos químicos. El agua también se volvió temporalmente turbia cuando se añadió el hierro por primera vez, pero esta turbidez disminuyó significamente a medida que el tratamiento continuaba, cayendo más del 90 por ciento al final. Esto sugiere que las partículas que causaban la turbidez fueron descompuestas o se asentaron en el agua. Al observar la luz emitida por la descarga eléctrica, los investigadores confirmaron que el plasma estaba generando las partículas reactivas esperadas, incluyendo radicales hidroxilo y moléculas de nitrógeno excitadas, que son los agentes responsables de la descomposición química.

El estudio concluye que combinar una descarga de plasma de corona con una pequeña cantidad de hierro es una forma altamente efectiva de eliminar el color de las aguas residuales textiles. El método funcionó bien para dos tipos de tintes muy diferentes, logrando una decoloración casi total en un sistema de flujo continuo. Sin embargo, los investigadores señalan que, aunque el color ha desaparecido, el agua no necesariamente ha sido completamente purificada de toda la materia orgánica. La descomposición de las moléculas de tinte crea fragmentos más pequeños, y el estudio no midió si estos fragmentos son tóxicos o cuánto del carbono orgánico original se convirtió totalmente en sustancias inocuas como dióxido de carbono y agua. El trabajo demuestra un paso poderoso hacia un tratamiento de agua más limpio, mostrando que la tecnología de plasma puede ajustarse para manejar contaminantes industriales difíciles, pero también resalta que se necesitan pasos adicionales para asegurar que el agua tratada sea segura para el medio ambiente.

Resumen Técnico: Decoloración de Plasma de Corona Asistida por Hierro de Ácido Negro 194 y Auramina O

Planteamiento del Problema
Los efluentes textiles presentan un desafío ambiental significativo debido a la persistencia de los colorantes sintéticos, los cuales se caracterizan por una alta estabilidad química, baja biodegradabilidad e intensa coloración. Los métodos de tratamiento convencionales, como la coagulación-floculación y la adsorción, a menudo enfrentan limitaciones relacionadas con la generación de lodos, la saturación de adsorbentes y una baja eficiencia contra compuestos aromáticos recalcitrantes. Además, aunque los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) ofrecen una alternativa prometedora mediante la generación de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS), muchos sistemas de plasma no térmico operan en modo por lotes o en volúmenes pequeños, lo que limita su escalabilidad. Asimismo, los colorantes estructuralmente diversos, como los colorantes azoicos y los de triarilmetano, pueden responder de manera diferente a la oxidación, lo que requiere estudios comparativos para evaluar la robustez del sistema.

Metodología
Este estudio evaluó un sistema de recirculación de flujo continuo utilizando plasma de corona a presión atmosférica asistido por especies ferrosas. La configuración experimental presentó una geometría de tres puntas de tungsteno hacia una placa de acero inoxidable operando en aire a presión atmosférica. El sistema trató 5 L de solución acuosa de colorante con un caudal de 250 mL min⁻¹.

Se seleccionaron dos colorantes distintos para un análisis comparativo:

Ácido Negro 194 (AB-194): Un colorante azoico con un grupo cromofórico –N=N–.
Auramina O (AO): Un colorante de triarilmetano con sistemas aromáticos conjugados.

Ambas soluciones se prepararon a una concentración inicial de 0.1 mM utilizando agua del grifo. Se añadió un catalizador ferroso, derivado de sulfato ferroso heptahidratado (FeSO₄·7H₂O) en un medio ácido (ácido sulfúrico), para alcanzar una concentración final de Fe²⁺ de aproximadamente 0.98 mmol L⁻¹. Esta dosificación tuvo como objetivo promover las vías de radicales mediados por hierro sin la adición externa de peróxido de hidrógeno, distinguiendo este proceso de una reacción Fenton convencional.

Los parámetros clave monitoreados incluyeron:

Decoloración: Medida mediante espectrofotometría UV–Vis a 594 nm (AB-194) y 432 nm (AO).
Propiedades Fisicoquímicas: Se rastrearon el pH, la conductividad eléctrica y la turbidez durante un periodo de tratamiento de 90 minutos.
Caracterización Eléctrica: El voltaje y la corriente se registraron para calcular la potencia promedio y asegurar la operación estable de la descarga de corona.
Espectroscopía de Emisión Óptica (OES): Utilizada para identificar especies excitadas (por ejemplo, ·OH, N₂, N₂⁺, Hα, Hβ) en la interfaz plasma–líquido.
Análisis Cinético y de Energía: Se aplicaron cinéticas aparentes de pseudo-primer orden para determinar las constantes de velocidad ( $k$ ) y los tiempos de semidecoloración ( $t_{50}$ ). El rendimiento energético se evaluó utilizando el Consumo de Energía Específica (SEC) y el Rendimiento de Energía al 50% de decoloración ( $G_{50}$ ).

Resultados Clave

Eficiencia de Decoloración: Tras 90 minutos de tratamiento, el sistema alcanzó altas eficiencias de decoloración: 98.66% para AB-194 y 97.74% para AO.
Cinética: Las constantes de velocidad aparentes de pseudo-primer orden fueron de 0.0486 min⁻¹ para AB-194 y 0.0433 min⁻¹ para AO. En consecuencia, el tiempo requerido para alcanzar el 50% de decoloración ( $t_{50}$ ) fue de 14.27 min para AB-194 y 16.00 min para AO. El colorante azoico (AB-194) exhibió una tasa de degradación aparente ligeramente más rápida (aproximadamente un 12% mayor) que el colorante de triarilmetano (AO).
Desempeño Eléctrico: La descarga se mantuvo estable en el régimen de corona sin transicionar a una descarga de arco. El consumo de potencia promedio fue de 139.42 W para AB-194 y 133.71 W para AO.
Cambios Fisicoquímicos:
- pH: La adición del catalizador ácido redujo inicialmente el pH a ~6.4–6.6. Durante el tratamiento, el pH disminuyó aún más a 6.02 (AB-194) y 5.75 (AO), probablemente debido a la formación de especies de nitrógeno oxidadas y subproductos orgánicos.
- Turbidez: La turbidez inicial aumentó bruscamente tras la adición del catalizador (debido a coloides de hidróxido de hierro), pero disminuyó aproximadamente un 92.2% (AB-194) y un 93.4% (AO) al final del tratamiento, indicando la eliminación o transformación de las especies dispersoras.
- Conductividad: La conductividad aumentó inicialmente debido a la introducción de iones. Durante los 90 minutos, disminuyó un ~5.9% para AB-194 pero aumentó un ~3.3% para AO, reflejando cambios complejos en la composición iónica.
Métricas de Energía: El Consumo de Energía Específica (SEC) fue de 41.83 kWh m⁻³ para AB-194 y 40.11 kWh m⁻³ para AO. El rendimiento de energía ( $G_{50}$ ) fue de 5.72 g kWh⁻¹ para AB-194 y 2.13 g kWh⁻¹ para AO. El mayor $G_{50}$ para AB-194 se atribuye a su $t_{50}$ más corto y a su masa molar significativamente mayor en comparación con AO.
Diagnóstico de Plasma: La OES confirmó la presencia de especies reactivas incluyendo radicales hidroxilo (·OH), nitrógeno molecular (N₂), nitrógeno ionizado (N₂⁺) y líneas de hidrógeno (Hα, Hβ), consistentes con la generación de RONS en la interfaz. Las temperaturas electrónicas aparentes se estimaron en 0.72 eV (AB-194) y 0.81 eV (AO).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que el plasma de corona a presión atmosférica, cuando es asistido por especies ferrosas en un sistema de flujo de recirculación continua, es una tecnología eficaz para la decoloración de colorantes textiles estructuralmente diversos. El estudio demuestra que el sistema puede lograr una decoloración casi completa (>97%) en 90 minutos tanto para colorantes azoicos como de triarilmetano.

El artículo destaca que, si bien la estructura molecular influye en la tasa de degradación aparente —siendo el enlace azo de AB-194 aparentemente más susceptible al ataque oxidativo que el sistema conjugado de AO—, la eficiencia general del proceso es alta para ambos. La integración de especies ferrosas se presenta como un método para intensificar la oxidación mediante vías de generación de radicales secundarios sin requerir oxidantes externos como el peróxido de hidrógeno.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto al alcance de la degradación. Establecen explícitamente que la disminución observada en la absorbancia confirma la alteración de los grupos cromofóricos, pero no confirma la mineralización completa ni la ausencia de productos de transformación tóxicos. El estudio identifica limitaciones clave, incluyendo la falta de mediciones de Carbono Orgánico Total (TOC), hierro residual y toxicidad. En consecuencia, los autores concluyen que, aunque el sistema resulta prometedor para la decoloración, se requiere trabajo futuro para optimizar la concentración del catalizador, identificar los productos de degradación, cuantificar la mineralización y evaluar la escalabilidad bajo condiciones industriales controladas.

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