Síntesis y aplicación de catalizadores magnéticos en procesos de oxidación avanzada

Resumen

Existe una preocupación creciente acerca de los posibles efectos adversos para la salud y el medio ambiente de un elevado número de sustancias detectadas en el medio acuático, conocidas como contaminantes de preocupación emergente. Entre estos contaminantes se encuentran productos farmacéuticos y cosméticos, aditivos industriales, pesticidas, nanomateriales o microplásticos. Se trata de sustancias que, en general, se presentan en concentraciones bajas en el agua (µg L-1 a ng L-1), pero son contaminantes de gran relevancia debido a sus potenciales efectos negativos a largo plazo sobre la salud y los ecosistemas. Las estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR) suponen, en muchos casos, la principal vía de entrada al medio acuático de numerosos contaminantes emergentes debido a que los tratamientos convencionales aplicados suelen presentar una baja eficacia en su eliminación, ya que se trata de sustancias persistentes y biorresistentes. Por este motivo, la degradación de contaminantes emergentes hasta sustancias inocuas como CO2 y H2O, supone uno de los principales desafíos en materia de tratamiento y calidad del agua. Así, en las últimas décadas se ha observado un interés creciente en la comunidad científica en investigar y desarrollar métodos de tratamiento complementarios que permitan una eliminación segura de contaminantes emergentes en las EDAR. En este campo, los procesos avanzados de oxidación (PAO) pueden considerarse una de las alternativas más prometedora por su efectividad. Sin embargo, su coste y su consumo energético suponen limitaciones importantes a superar para que lleguen a ser económicamente viables y sostenibles. Los PAO se caracterizan por la generación de oxidantes secundarios muy potentes denominadas especies reactivas de oxígeno (reactive oxygen species, ROS, por sus siglas en inglés), entre las que destaca el radical hidroxilo (HO•, E°=2,8 V). Esta especie es muy reactiva y poco selectiva, por lo que es capaz de degradar la mayoría de los contaminantes emergentes presentes en el agua. Entre los PAO más estudiados se encuentran algunos sistemas fotoquímicos como el foto-Fenton, UV/H2O2, UV/O3 o la oxidación fotocatalítica con TiO2. Aunque los PAO fotoquímicos presentan, en general, un alto rendimiento de producción de oxidantes secundarios y, consecuentemente, una rápida degradación de contaminantes, su aplicación práctica a nivel industrial se ha visto limitada principalmente por razones económicas (coste de fuentes de radiación y consumo energético). Por ello, ha cobrado gran interés el estudio de PAO fotocatalíticos con radiación solar y fuentes de radiación LED de bajo consumo y larga duración. Uno de los principales retos en este sentido es la síntesis de catalizadores fotoactivos en el rango de longitudes de onda de la fuente de radiación empleada. Se requiere, además, que el fotocatalizador sea estable en el medio oxidante que se genera en estos procesos y pueda ser separado y reutilizado fácilmente. La presente Tesis Doctoral se ha realizado fundamentalmente en Badajoz (España) entre octubre de 2017 y noviembre de 2022 en el seno del grupo de investigación “Tratamiento de Aguas-TRATAGUAS” del Departamento de Ingeniería Química y Química Física de la Universidad de Extremadura. Este grupo presenta una dilatada trayectoria en la investigación de PAO fotoquímicos y no fotoquímicos. Asimismo, una parte de la investigación se llevó a cabo en Facultad de Ingeniería de la Universidad de Oporto (Portugal) en el periodo de mayo a julio de 2021. En este contexto, la Tesis Doctoral se ha enfocado hacia la síntesis de nuevos fotocatalizadores para su uso en suspensión en PAO con radiación solar. Para facilitar la separación del catalizador se propuso dotar al mismo de propiedades magnéticas que permitiesen su recuperación del medio acuoso mediante la aplicación de un campo magnético externo. En un principio, la Tesis Doctoral se orientó hacia el uso de estructuras metal-orgánicas (metal-organic frameworks, MOF, por sus siglas en inglés), que presentan excelentes propiedades para distintos procesos catalíticos. Sin embargo, se concluyó que la estabilidad de los MOF estudiados (MIL-53(Fe)) se veía comprometida en las condiciones provocadas por la radiación y la presencia de oxidantes en el medio acuoso. Por ello, la investigación se reorientó hacia la síntesis de fotocatalizadores magnéticos inorgánicos que resultaron ser estables bajo las condiciones de los PAO aplicados. De esta última parte se patentó un método para la magnetización de algunos sólidos como el TiO2(P25), carbón activado, grafeno y óxido de grafeno, los cuales fueron caracterizados y probados en diferentes PAO. Se concluye en la presente tesis que el uso de determinadas estructuras Metal-Orgánicas en procesos avanzados de oxidación se puede ver comprometido por su estabilidad, la cual habrá que estudiar previamente a su utilización. Por otro lado, se logró optimizar y patentar un novedoso método de magnetización de sólidos mediante un método económico y sostenible con el medio ambiente. Estos sólidos muestran una alta estabilidad en condiciones fuertemente oxidantes (se producen en los PAO) y tienen la posibilidad de reutilizarlos tras su uso en las corrientes acuosas, aumentando su potencial uso como fotocatalizadores en PAO en continuo.