Aplicación de nanozimas inmovilizadas en soportes de bajo costo en remediación de efluentes acuosos

Abstract

En el presente trabajo de tesis se llevó a cabo la síntesis de un sólido multicatalítico en forma de esferas compuestas por biopolímeros (quitosano y almidón) y óxidos de Fe y Cu para la degradación de dos medicamentos por procesos de oxidación avanzada. En este estudio se integró la acción de la magnetita coprecipitada con Cu2+ nanoparticulada con biopolímeros en forma de esferas y H2O2 como oxidante. Se ha logrado a través de la síntesis por coprecipitación química una distribución uniforme de la nanomagnetita sobre todo el sólido de quitosano-almidón. Se exploró la generación de porosidad con α-amilasa en las esferas de quitosano-almidón y luego se evaluó su desempeño en la adsorción de un colorante antraquinónico. Se optimizó el procedimiento de síntesis de estas esferas y se caracterizaron preliminarmente por medio de adsorción de dos colorantes modelo y luego se aplicaron en la eliminación de Amoxicilina (AMOX) e Ibuprofeno (IBP). Las esferas de quitosano-almidón-magnetita con y sin Cu y un sólido constituido únicamente por magnetita-Cu fueron analizados por distintas técnicas de caracterización. El sistema multicatalítico desarrollado demostró elevada eficacia en la eliminación de los medicamentos estudiados, optimizando el consumo de H₂O₂ y la utilización de la masa activa durante el proceso. Se evaluó la eficiencia del catalizador con y sin Cu para eliminar AMOX a distintos pH, el impacto de la composición del buffer, el efecto de la masa del catalizador y la capacidad de reúso de las esferas húmedas y esferas secas luego rehidratadas. Se obtuvieron muy buenas correlaciones entre análisis por HPLC y espectrofotometría UV-Visible lo que permitió definir un mecanismo para la degradación de AMOX. Se investigó la performance del sólido multicatalítico con Cu en la degradación de Ibuprofeno a pH 9 con esferas secas y rehidratadas en el marco de un mecanismo de reacción seleccionado de la literatura. El mecanismo de reacción para AMOX ajustó con una reacción en serie, mientras que el de Ibuprofeno lo hizo con un mecanismo Denbigh. Los productos de la degradación de AMOX fueron de mayor peso molecular que los de IBP. Se obtuvieron las constantes de velocidad aparente y órdenes de reacción por el método integral para cada contaminante y se compararon entre ellos en función de la masa molar. En las reacciones de oxidación de AMOX se han determinado parámetros de calidad de efluente como leaching de Fe y Cu, sólidos disueltos totales y conductividad eléctrica y demanda química de oxígeno (DQO) en un caso seleccionado, al finalizar las reacciones. Se reportó una pérdida muy baja de Fe y Cu en las soluciones de reacción (por debajo de los límites establecidos por la Autoridad del Agua) como así también durante la síntesis del sólido multicatalítico. Se encontró un aumento de la concentración de sólidos disueltos y de la conductividad y cambios en DQO para reacciones seleccionadas dependiendo de la temperatura de la reacción. La tecnología desarrollada tiene como objetivo formar parte de un tren de tratamiento terciario de efluentes.

In the present thesis the catalyst synthesis was carried out with spherical shape for two drugs degradation by advanced oxidation process. The nanoparticulates magnetite and CuO shows a peroxidase and catalase mimetic behavior. In consideration of the obtained results and the identified limitations, this study integrated the action of magnetite with nanoparticulate copper. A uniform distribution of nanomagnetite throughout the chitosan-starch solid has been achieved through chemical coprecipitation synthesis. The porosity generation of chitosan-starch spheres with α-amylase was explored and then its performance in the adsorption of an anthraquinone dye was evaluated. The spheres synthesis procedure was optimized and preliminary characterized through two model dyes adsorption and then applied in amoxicillin (AMOX) and ibuprofen (IBP) degradation. The chitosanstarch- magnetite spheres with and without copper and a solid consisting solely of magnetite-Cu were analyzed using different characterization techniques. The multicatalytic system developed demonstrated a highly performance in the studied drugs elimination, optimizing H₂O₂ consumption and the use of active mass during the process. The catalyst with and without Cu efficiency for AMOX removal at different pH values, the catalyst mass effect and the reusability of wet spheres and dry spheres that have been rehydrated was evaluated. Very good correlations between HPLC and UV-Visible analysis were obtained which allowed define a mechanism for AMOX degradation. The performance of the multicatalytic solid with Cu in the degradation of Ibuprofen at pH 9 with dry and rehydrated spheres was investigated, but the reaction mechanism was selected from the literature. The reaction mechanism of AMOX was adjusted with a serial reaction, while that for Ibuprofen was adjusted with a Denbigh mechanism. The degradation products of AMOX had a higher molecular weight than those of IBP. The apparent rate constants and reaction orders were obtained using the integral method for each contaminant and compared with each other based on molar mass. In the AMOX oxidation reactions, effluent quality parameters such as Fe and Cu leaching, total dissolved solids, electrical conductivity, and chemical oxygen demand (COD) were determined at the end of the reactions. Very low losses of Fe and Cu were reported in the reaction solutions as well as during the synthesis of the multicatalytic solid, below the limits established by the Autoridad del Agua. An increase in the concentration of dissolved solids and conductivity was found, as well as an increase or decrease in COD depending on the reaction temperature. The technology developed aims to form part of a tertiary treatment train.