Materiales híbridos a partir de biomasa lignocelulósica como herramientas eficientes para remediación ambiental

Abstract

Esta investigación se centra en la conversión de residuos lignocelulósicos en materiales de alto valor añadido: nanocompuestos formados por materiales carbonosos y nanopartículas de Fe3O4/γ-Fe2O3. Estos materiales tienen dos aplicaciones principales: como adsorbentes para la purificación de aguas y como catalizadores para la extracción de metales del suelo. A continuación se detalla el contenido de cada capítulo: El capítulo 1 presenta una revisión bibliográfica exhaustiva de los conceptos fundamentales de la investigación. Se inicia con el estudio de la valorización de residuos de biomasas lignocelulósicas, haciendo énfasis en las biomasas específicas utilizadas en este trabajo. Se describen los procesos de transformación de estas biomasas en bio e hidrocarbones mediante dos tratamientos termoquímicos: pirólisis y carbonización hidrotermal (HTC). Posteriormente, se analizan las nanopartículas de óxidos de hierro, sus propiedades características y aplicaciones, con especial atención a su incorporación en matrices carbonosas para la formación de nanocompuestos. El capítulo también aborda el uso de los nanocompuestos en áreas como: la remediación de fuentes hídricas y los procesos hidrometalúrgicos empleados en la extracción de metales de suelos mineros. El capítulo concluye con el planteamiento de la hipótesis y los objetivos de la investigación. El capítulo 2 detalla los procedimientos experimentales desarrollados en la investigación. En primer lugar, se presentan los métodos de preparación y síntesis tanto de los materiales carbonosos como de los nanocompuestos. Posteriormente, se exponen los protocolos experimentales empleados en los ensayos de adsorción de diversos contaminantes: arsénico, verde malaquita, lidocaína y diclofenac. Finalmente, se precisa el proceso hidrometalúrgico utilizado para la extracción de metales de interés a partir de muestras de suelo. El capítulo 3 aborda las diversas técnicas de caracterización empleadas para el estudio textural, superficial y estructural de los materiales carbonosos y nanocompuestos, explicando sus fundamentos teóricos y su relevancia en la investigación. Asimismo, se detallan las técnicas analíticas utilizadas para cuantificar los contaminantes (arsénico, verde malaquita, lidocaína y diclofenac) en los ensayos de adsorción, así como los métodos específicos para la determinación de metales como Cu, Zn, As, Co y Sb en los ensayos hidrometalúrgicos. El capítulo 4 presenta un análisis comparativo de los bio e hidrocarbones obtenidos mediante dos procesos termoquímicos diferentes: pirólisis y carbonización hidrotermal (HTC), utilizando como materias primas la cáscara de girasol y residuos de naranja. El estudio se centra en evaluar y contrastar las propiedades superficiales y estructurales de los materiales carbonosos resultantes de ambos procesos. El capítulo 5 analiza las propiedades de los nanocompuestos sintetizados mediante la incorporación de nanopartículas de Fe3O4/γ-Fe2O3 en las matrices carbonosas. La caracterización exhaustiva de sus propiedades superficiales, estructurales y magnéticas fundamenta su posterior aplicación en dos áreas específicas: la adsorción de contaminantes en medios acuosos y la extracción de metales de suelos mineros. El capítulo 6 se centra en evaluar el desempeño de los materiales carbonosos y nanocompuestos previamente sintetizados y caracterizados en la remoción de contaminantes orgánicos e inorgánicos en agua. El estudio comprende el análisis de las cinéticas de adsorción, el ajuste a modelos cinéticos específicos y la investigación de las posibles interacciones entre los contaminantes y los materiales adsorbentes. El capítulo 7 aborda dos aspectos principales: la caracterización de materiales carbonosos sulfonados y su aplicación como catalizadores en procesos hidrometalúrgicos. Específicamente, se evalúa su eficacia en la extracción de metales de interés a partir de muestras de suelo minero, analizando la influencia de diversas variables operacionales en el proceso. Por último, el capítulo 8 presenta una síntesis de los hallazgos principales de la investigación y formula las conclusiones generales de la tesis. Adicionalmente, se proponen líneas de investigación futuras y posibles desarrollos derivados de este trabajo.

This research focuses on converting lignocellulosic waste into high value-added materials: nanocomposites formed by carbonaceous materials and Fe3O4/γ-Fe2O3 nanoparticles. These materials have two main applications: as adsorbents for water purification and as catalysts for metal extraction from soil. The content of each chapter is detailed below: Chapter 1 presents a comprehensive literature review of the fundamental concepts of the research. It begins with the study of lignocellulosic biomass waste valorization, emphasizing the specific biomasses used in this work. The processes of transforming these biomasses into bio and hydrochars through two thermochemical treatments are described: pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC). Subsequently, iron oxide nanomaterials are analyzed, their characteristic properties and applications, with special attention to their incorporation into carbonaceous matrices for nanocomposite formation. The chapter also addresses the use of nanocomposites in areas such as: remediation of water sources and hydrometallurgical processes used in metal extraction from mining soils. The chapter concludes with the statement of the hypothesis and research objectives. Chapter 2 details the experimental procedures developed in the research. First, the preparation and synthesis methods for both carbonaceous materials and nanocomposites are presented. Subsequently, the experimental protocols used in adsorption tests of various contaminants are described: arsenic, malachite green, lidocaine, and diclofenac. Finally, the hydrometallurgical process used for extracting metals of interest from soil samples is specified. Chapter 3 addresses the various characterization techniques used for the surface and structural study of carbonaceous materials and nanocomposites, explaining their theoretical foundations and relevance to the research. Additionally, the analytical techniques used to quantify contaminants (arsenic, malachite green, lidocaine, and diclofenac) in adsorption tests are detailed, as well as specific methods for determining metals such as Cu, Zn, As, Co, and Sb in hydrometallurgical tests. Chapter 4 presents a comparative analysis of bio and hydrochars obtained through two different thermochemical processes: pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC), using sunflower husk and orange waste as raw materials. The study focuses on evaluating and contrasting the surface and structural properties of the resulting carbonaceous materials from both processes. Chapter 5 analyzes the properties of nanocomposites synthesized by incorporating Fe3O4/γ-Fe2O3 nanoparticles into carbonaceous matrices. The comprehensive characterization of their surface, structural, and magnetic properties underpin their subsequent application in two specific areas: contaminant adsorption in aqueous media and metal extraction from mining soils. Chapter 6 focuses on the performance of previously synthesized and characterized carbonaceous materials and nanocomposites in removing organic and inorganic contaminants in water. The study includes analysis of adsorption kinetics, fitting to specific kinetic models, and investigation of possible interactions between contaminants and adsorbent materials. Chapter 7 addresses two main aspects: the characterization of sulfonated carbonaceous materials and their application as catalysts in hydrometallurgical processes. Specifically, their effectiveness in extracting metals of interest from mining soil samples is evaluated, analyzing the influence of various operational variables in the process. Finally, Chapter 8 presents a synthesis of the main research findings and formulates the general conclusions of the thesis. Additionally, future research directions and possible developments derived from this work are proposed.