Resumen de Eliminación de contaminantes emergentes presentes en aguas residuales sobre adsorbentes carbonosos. Modelado de lechos de adsorción. Removal of emerging pollutants from wastewater on carbonaceous adsorbents. Modeling of fixed-bed adsorption
- español
El presente trabajo se enmarca dentro de la línea de investigación que se viene desarrollando en el Grupo de Investigación de Catálisis y Procesos de Separación (CyPS) del Departamento de Ingeniería Química y Materiales de la Universidad Complutense de Madrid, enfocada en el tratamiento de aguas residuales de carácter urbano e industrial. En concreto, en esta Tesis Doctoral se ha participado en diversos proyectos, tales como Red Madrileña de Tratamientos para la Reutilización de Aguas Residuales y Valorización de Fangos-S2018.EMT-4341 y -Red Madrileña de Tratamientos Avanzados de Aguas Residuales-S2013.MAE-2716.
En este contexto, se ha estudiado la eliminación de dos contaminantes emergentes frecuentemente detectados en las aguas residuales, el compuesto disruptor endocrino Bisfenol A (BPA) y el antibiótico ampliamente usado Ciprofloxacina (CPX), disueltos en agua, mediante el proceso de adsorción en tanque agitado y lecho fijo sobre tres materiales de carbono diferentes. Además, se han obtenido los parámetros cinéticos (coeficientes de transferencia de materia), mediante el empleo de modelos matemáticos basados en ecuaciones de conservación de materia; coeficientes éstos necesarios para el diseño de una unidad de adsorción a escala industrial.
Los adsorbentes que se han empleado en este estudio presentan diferente estructura porosa: un carbón activado comercial (F400) de estructura eminentemente microporosa, un carbón activado micro-mesoporoso sintetizado a partir de Lignina Kraft (KLP) y un xerogel (RFX), obtenido mediante la reacción de policondensación de resorcinol-formaldehído, de carácter micro- macroporoso.
Los experimentos de adsorción de BPA en tanque agitado sobre los mencionados adsorbentes se llevaron a cabo empleando una concentración inicial de BPA de 100 mg·L-1. La capacidad de adsorción máxima obtenida siguió el siguiente orden: F400 > KLP > RFX. Por otro lado, los resultados reflejaron que los adsorbentes sintetizados (KLP y RFX) presentaron una cinética de adsorción más rápida (24 h), mientras que con el carbón F400 el equilibrio se alcanzó después de 48 h de contacto adsorbente-adsorbato.
El estudio sobre la influencia del pH de la disolución en el proceso de adsorción de BPA reveló un drástico descenso en la capacidad de adsorción de este compuesto a pH12, debido a la aparición de fuerzas electrostáticas de repulsión entre adsorbente y adsorbato.
Los estudios de adsorción de CPX en tanque agitado (C0 =100 mg·L-1) revelaron que el carbón activado F400 presentó la mayor capacidad de adsorción, qmax = 457 mg·g-1, mientras que la capacidad para los materiales sintetizados fue de 138 y 72 mg·g-1 para KLP y RFX, respectivamente.
Los resultados de adsorción en lecho fijo de los dos contaminantes emergentes estudiados sobre los adsorbentes F400, KLP y RFX están en concordancia con lo obtenido en los experimentos en tanque agitado. Así, la cinética de adsorción fue más lenta para el carbón activado F400 debido a limitaciones en la transferencia de materia durante el movimiento de las moléculas de adsorbato a través de su estructura porosa (material eminentemente microporoso, con una estructura porosa más cerrada).
La regeneración de los adsorbentes saturados se llevó a cabo empleando un disolvente orgánico, metanol. En los estudios con BPA, se logró desorber casi la totalidad de las moléculas de adsorbato, alcanzando una extraordinaria eficiencia de regeneración, prácticamente total (~100%). Sin embargo, en los experimentos llevados a cabo con CPX, la regeneración de los adsorbentes saturados fue del ~84 y ~50% para el RFX y KLP, respectivamente.
Por último, se determinaron los coeficientes de transferencia de materia para la adsorción en lecho fijo de BPA y CPX sobre el xerogel y el carbón activado KLP mediante el empleo de dos modelos matemáticos basados en ecuaciones de conservación de materia.
- English
The present report of Ph.D. Thesis work shows the most significant results obtained in the research study, which essentially consisted in a broad study about the removal of several emerging pollutants from water by adsorption process onto different carbon-based adsorbents.Water is the most valuable resource of the whole environment since it is crucial for life. Thus, having a high-quality, pure and un-polluted water is a major global challenge in the environmental research field. There is a newly group of pollutants, present in wastewater, with anthropogenic origin, known as emerging contaminants (ECs), and there have been proved their harmful effects in humans and the aquatic environment even at low concentrations [1]. ECs include pharmaceuticals, steroid hormones, illegal drugs, compounds found in several daily products such as personal care products (PCPs), surfactants and plasticizers, among others [2]. Most of these kinds of micropollutants present a persistent and non-biodegradable character, which leads to an incomplete removal in the conventional wastewater treatment plants (WWTP). In this context, the European Water Framework Directive (WFD) launched the NORMAN project in 2005 [3]. This project consists on a set network of reference laboratories, research centres and related organizations working on the monitoring of ECs in order to achieve a non-toxic water environment...
