Remoción de aniones en solución acuosa mediante óxidos de hierro modificados y procesos avanzados de oxidación para la degradación de fármacos

Resumen

En la presente tesis se estudió la adsorción y los procesos avanzados de oxidación (PAOs) para la eliminación de aniones (Cr(VI), fosfatos y fluoruros) y antibióticos (tinidazol y sulfonamidas) presentes en solución acuosa. Para la adsorción de Cr(VI) y fosfatos se emplearon dos óxidos de hierro naturales (NIOx1 y NIOx2) con modificación térmica (NIOx1-MT y NIOx2-MT) y química (NIOx1-MQ y NIOx2-MQ). La eliminación de Cr(VI) y fosfatos presentes en aguas es muy importante debido a que el primero es un metal pesado que en solución acuosa causa daños persistentes y graves a los humanos y otros organismos y el segundo contribuye a la eutrofización de aguas. En esta investigación se demostró mediante caracterización fisicoquímica por DRX, IR, SEM entre otras, que la modificación térmica incrementa la capacidad de adsorción solo en el NIOx2 atribuido a la generación de mesoporos mediante reacciones de deshidratación-deshidroxilación y la química la aumenta en los dos NIOx debido a la incorporación de iones aluminio como AlOx y a la fase gibbsita formada en la superficie. La cantidad de Cr(VI) y fosfato adsorbido en NIOx1 fue 6 y 8 mg g-1, respectivamente, para una concentración de 180 mg L-1. El NIOx2-MT incrementa la capacidad de adsorción solo 1 mg g-1 atribuido a la generación de mesoporos por la transformación de goethita a hematita. La capacidad de adsorción disminuye al aumentar el pH. La máxima capacidad de adsorción de Cr(VI) lo presentó el NIOx2-MQ con 24 mg g-1 a pH 3, el material resultó eficiente cuando las capacidades de adsorción son comparadas con otros materiales de hierro. Para el caso de la adsorción de fluoruros se utilizó magnetita natural y modificada térmicamente a 500 °C. La caracterización demostró que la magnetita natural es convertida a hematita con un incremento de área específica que proporciona mejor disponibilidad de sitios aniónicos. La magnetita modificada triplicó la capacidad de adsorción, la cual disminuye en el rango de pH 4-12. Las cinéticas de adsorción se llevan a cabo en dos etapas. Intercambio de ligandos y sustitución en la red cristalina son los principales mecanismos. Los PAOs aplicados en esta tesis fueron fotocatálisis heterogénea, radiación UV, UV/H2O2 y UV/K2S2O8, así como el uso de ferrato y la activación de sulfito mediante diferentes especies de hierro. Se sintetizó xerogeles de sílice (XGS) dopados con Fe(III) para degradar tinidazol (TNZ). Los resultados mostraron que 3.64 % de hierro dopado es suficiente para incrementar el porcentaje de degradación de 41 % a 68 % en una hora y con irradiación previa de 30 min el TNZ es degradado en un 98 %. El valor de la energía de banda prohibida se redujo de 3.55 a 2.32 eV, indicando que es un material fotoactivo. Por lo tanto, los XGS dopados con Fe(III) son una buena alternativa en la eliminación de antibióticos. La efectividad de los sistemas UV, UV/H2O2 y UVC/K2S2O4 sobre la degradación de sulfonamidas (SAs) (sulfametazina (SMZ), sulfadiazina (SDZ) y sufametizol (SML)) fue evaluada. Las SAs son antibióticos usados ampliamente en todo el mundo y por lo tanto su eliminación de efluentes es un tema de interés relevante. Utilizando radiación UV en el orden de degradación fue SMZ -SDZ -SML atribuido a su estructura química. Los valores de R254 mostraron que dosis habituales de radiación UV utilizadas en agua para desinfectar no son adecuadas para degradar SAs. La incorporación de radicales promotores como el HO• y SO4•- generan un incremento en el proceso de degradación. El sistema UV/ K2S2O4 presentó un menor costo de energía, por lo tanto, es un proceso viable en la eliminación de antibióticos. Utilizando Fe(VI), La tasa máxima de degradación de SAs se produjo a pH 3.0 con una relación 6: 1 (Fe (VI): SAs, obteniendo una degradación del 100% de 15 mg L-1 en 5 min. La carga de pH, Fe (VI) de la solución tuvo efectos significativos sobre la degradación de SAs. La mayoría de los subproductos de degradación identificados fueron aminas y pirimidinas. Los análisis de productos de reacción de SAs indicaron que el ataque de Fe (VI) ocurrió en el grupo sulfonilo o en el para-amino. La presencia de iones inorgánicos en el agua subterránea mejoró la degradación de SAs. Por lo tanto, se sugiere que el Fe (VI) puede actuar como un oxidante químico para eliminar SAs. Se analizó la efectividad de los sistemas de Fe(0), Fe(II), Fe(III),Fe (VI)/sulfito para degradar SAs mediante la generación de radicales de SO4•-. Usando Fe(VI)/sulfito, la eliminación completa de SAs se obtuvo en 5 minutos, superando la efectividad de los otros tres sistemas. El sistema Fe(0)/sulfito proporciona especies de Fe(II)/Fe(III) con buena estabilidad que el Fe(II)/sulfito o Fe(III)/sulfito. El porcentaje de eliminación de sulfonamidas se vio influenciado notablemente por la concentración de sulfito. El oxígeno disuelto mejoró la generación de radicales oxidantes. El estudio de la influencia de la matriz de agua reveló una inhibición del porcentaje de eliminación de SAs. De acuerdo con los subproductos identificados, se proporcionó las vías de degradación. El ensayo de citotoxicidad con líneas celulares HEK 293 y J774 por primera vez muestra que los subproductos inhiben lentamente la proliferación de la célula.