Tecnologías simples y baratas de oxidación avanzada para el tratamiento de efluentes acuosos coloreados

Abstract

La presente tesis aborda la síntesis de un catalizador y un adsorbente y su aplicación en eliminación de colorantes fenólicos en dos etapas, una de oxidación avanzada y luego otra de adsorción. Hematin y diferentes óxidos de hierro nanoparticulados (magnetita y ferritas) han sido estudiados por el grupo de Catálisis como miméticos de enzima peroxidasa y catalasa. Asimismo, se ha explorado la inmovilización de hematin sobre óxidos de hierro y quitosano, evaluando sus capacidades catalíticas y adsorbentes. En función de los logros alcanzados y las dificultades reportadas, este trabajo combinó la acción de hematin y de magnetita nanoparticulada. Se soportó el biomimético sobre esferas magnéticas de quitosano obteniendo un material estable en el medio de reacción. Se optimizó el procedimiento de síntesis, y se aplicó en remoción de colorantes (azoico y antraquinónico) en soluciones individuales y mezcla. Se logró, a través de la síntesis por coprecipitación, una distribución uniforme de las nanopartículas de magnetita en el sólido y se optimizó la inmovilización de hematin. Se obtuvo un catalizador eficaz y eficiente en términos de la remoción de colorantes en sistemas modelo, por unidad de agente oxidante (H2O2) consumido y masa de material activo en reacción. Se evaluó la actividad del catalizador utilizando un efluente sintético tipo textil, obteniendo resultados aceptables de eliminación de los colorantes, incluso al reutilizarse. Adicionalmente, se sintetizó un adsorbente esférico compuesto por quitosano y biomasa derivada del fruto de Araujia sericifera. El sólido presentó capacidades de adsorción disímiles al comparar la remoción del colorante antraquinónico respecto al azoico. Estos resultados se correlacionaron con un estudio sobre las formas de adsorción de los colorantes sobre el quitosano a través de modelado computacional simple y con el ajuste de los resultados experimentales a los modelos Langmuir y Freundlich. Finalmente se aplicó un proceso en dos etapas, oxidación avanzada seguida de adsorción, a soluciones con mezcla de colorantes en sistema modelo y en efluente sintético. La etapa de oxidación presentó reducciones considerables de demanda química de oxígeno, carbono orgánico total y conductividad, mientras que se encontró un aumento de algunos parámetros en la etapa de adsorción. Si bien es necesario optimizar la estabilidad del sólido adsorbente, presenta potencial considerando que la incorporación de la biomasa no fue en detrimento de la capacidad de adsorción del quitosano.

This thesis addresses the synthesis of a catalyst and an adsorbent and their application in removing phenolic dyes through a two-stage process: advanced oxidation and adsorption. Hematin and several nanoparticulate iron oxides (magnetite and ferrites) have been studied by the Catalysis group as mimetics of peroxidase and catalase enzymes. Additionally, hematin immobilization on iron oxides and chitosan has been explored, and their catalytic and adsorptive capacities have been evaluated. In view of the achievements attained and challenges reported, this study combined the actions of hematin and nanoparticulate magnetite. Hematin was supported on magnetic chitosan beads to produce a stable material in the reaction medium. The synthesis procedure for this solid was optimized and applied to remove azo and anthraquinonic dyes from individual and mixed solutions. Through coprecipitation synthesis, a uniform distribution of magnetite nanoparticles in the solid was achieved, and hematin immobilization was optimized, resulting in an efficient solid for dye removal in terms of oxidizing agent (H2O2) consumption and the active material mass used in the reaction. The catalytic activity was assessed employing a synthetic effluent, demonstrating satisfactory dye removal efficiency even after multiple reuse cycles. In addition, a spherical adsorbent composed of chitosan and biomass derived from the fruit of Araujia sericifera was synthesized. The solid exhibited different adsorption capacities when compared to anthraquinonic and azo dye removal. These results were correlated with a study about the adsorption mechanisms of the dyes on chitosan using simple computational modeling and fitting experimental results to Langmuir and Freundlich models. Finally, the system was applied in a two-stage process: advanced oxidation followed by adsorption, using dye mixtures in a model system and synthetic effluent. The oxidation stage resulted in significant reductions in chemical oxygen demand, total organic carbon, and conductivity, while increases in some parameters were observed after the adsorption stage. Although the stability of the adsorbent solid still requires optimization, it shows potential, as the incorporation of biomass did not diminish the adsorption capacity of chitosan.