Integración de tecnologías de adsorción y electroquímicas para la eliminación de contaminantes emergentes en aguas

Abstract

Los contaminantes emergentes (CEs) son nuevas sustancias químicas, presentes en agua a bajas concentraciones - ng·L-1 o µg·L-1 -, las cuales no disponen de regulación y cuyo impacto sobre el medio ambiente y la salud humana es, hoy en día, poco conocido. Las plantas de tratamiento de aguas residuales no son eficaces para su tratamiento, por lo que es importante el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan su eliminación. Dada su baja concentración, es necesario tratar una gran cantidad de agua para eliminar una pequeña cantidad de contaminante, lo que conlleva elevados costes. Por ello, se propone una nueva estrategia en dos etapas: pre-concentración mediante procesos de adsorción-desorción y posterior degradación mediante tecnologías electroquímicas. Se han seleccionado tres contaminantes modelo representativos de CEs para evaluar la viabilidad del método propuesto: ácido nalidíxico (NAL, producto farmacéutico), 1,8-diclorooctano (DCO, parafina clorada) y 2 (4 metilfenoxi)etanol (MPET, disruptor endocrino). Previo a la adsorción en continuo, se llevaron a cabo ensayos de adsorción en discontinuo para estudiar el comportamiento de la adsorción, ajustando los resultados a los modelos de Langmuir y Freundlich. Se seleccionaron adsorbentes carbonosos con diferente morfología - carbones activos (GC 900 y GF 40), nanofibra de carbono (CNF), grafito de alta superficie (HSAG-500) y nanotubos de carbono (MWCNT) -, así como nanotubos de carbono funcionalizados - MWCNT-COOH, MWCNT NH2 y N-CNT - con el objetivo de estudiar el efecto de la química superficial. La capacidad de adsorción es, en todos los casos, un orden de magnitud superior para el DCO, debido a su elevada hidrofobicidad. La cantidad de adsorbato retenido, generalmente sigue el orden: GC-900 > GF-40 > HSAG 500 > MWCNT > CNF, coincidente con el área superficial externa de los materiales – a excepción de los carbones activos –. En cuanto a la química superficial, los nanotubos de carbono funcionalizados mejoran la capacidad de adsorción para el MPET, siendo N-CNT el adsorbente con mayor capacidad de adsorción, incluso superior a la de los carbones activos. A partir de los resultados de adsorción en discontinuo, se llevó a cabo la pre-concentración en lecho fijo con GF-40, HSAG 500 o MWCNT como adsorbentes. Las curvas de ruptura se modelizaron con los modelos BDST, Thomas y Yoon-Nelson. La capacidad normalizada de adsorción, sigue la tendencia: MWCNT > GF-40 > HSAG-500, debido al elevado carácter mesoporoso de los MWCNT. Se obtuvo la pre-concentración con MWCNT y HSAG-500, presentando MWCNT una capacidad de adsorción normalizada superior y la mayor concentración con unos factores de pre-concentración que siguen el orden: DCO (3.4) > MPET (2.8) > NAL (2.1). La interacción π-π del NAL y MPET con los materiales carbonosos dificulta el proceso de desorción. Para el segundo paso, se llevó a cabo la degradación mediante técnicas electroquímicas. La sensibilidad y selectividad mejora con la modificación del electrodo de trabajo, por lo que se emplearon diferentes MWCNT para modificar el electrodo de carbón vítreo (GCE) – MWCNT, MWCNT COOH y MWCNT NH2 . La corriente de pico mejora con la modificación del GCE, indicativo de la actividad electrocatalítica de los MWCNT. Para el MPET la máxima corriente de pico tiene lugar con MWCNT NH2-GCE. En el caso del DCO, no fue posible la degradación del mismo, probablemente debido a que esta molécula no presenta grupos funcionales electroquímicamente activos. Para el NAL se obtuvo una degradación completa mediante voltamperometría diferencial de pulso (DPV) y para el MPET mediante voltamperometría cíclica (CV) bajo las condiciones óptimas de operación. En el caso del NAL se identificaron dos sub-productos diferentes, mientras que para el MPET la degradación se llevó a cabo directamente a los productos finales, dióxido de carbono y agua.