Formación de grupos superficiales de oxígeno en materiales carbonosos mediante tecnologías de ozonización

Resumen

RESUMEN: En la Tesis Doctoral se han preparado carbonizados y carbones activados a partir de un residuo agrícola muy abundante en la comarca del Valle del Jerte (Cáceres, España): el hueso de cereza. Para la activación del precursor se han empleado varios métodos térmicos utilizando aire, dióxido de carbono y vapor de agua como agentes activantes. Los carbonizados y carbones activados se caracterizaron textural y químicamente empleando técnicas de fisisorción de nitrógeno, porosimetría de mercurio, picnometrías de helio y mercurio, espectroscopía infrarroja y volumetrías selectivas. El tipo de agente empleado y las condiciones de temperatura y tiempo de activación influyen de forma muy importante sobre las propieades texturales y la química superficial de los carbones activados. En general, con aire se obtienen materiales más microporosos con relativamente bajas superficies específicas (<550 m2/g). Con vapor de agua, por el contrario, se alcanzan superficies específicas próximas a los 1000 m2/g y la contribución de mesoporos al volumen total de poros es importante. Finalmente, con CO2 se obtienen carbones con una supericie específica intermedia y una elevada concentración de grupos superficiales de oxíeno (GSO). Los carbones activados preparados se han modificado superficialmente mediante tratamientos de oxidación con varios agentes: aire, peróxido de hidrógeno, ácido nítrico y, principalmente, ozono. La ozonización produce cambios químicos importantes, que pueden resumirse en la formación de GSO ácidos (principalmente carboxílicos) por reacción del ozono con estructuras aromáticas del carbón. No obstante, dependiendo de las condiciones del tratamiento (temperatura, tiempo, método de preparación del precursor, etc.) el tipo y concentración de GSO del material ozonizado puede variar significativamente. Desde el punto de vista textural, la ozonización puede inducir desarrollo o destrucción de porosidad dependiendo del material carbonoso precursor, de la dosis de ozono suministrada y de la temperatura del tratamiento. Las oxidaciones con aire, peróxido de hidrógeno y ácido nítrico también producen GSO ácidos, si bien los dos primeros agentes son oxidantes más débiles que el ozono y el ácido nítrico produce excesiva destrucción de la porosidad del carbón activado. Una selección de los carbones activados preparados se emplearon en procesos de adsorción y catalísis. Para el estudio de adsorción se utilizadon los siguientes adsorbatos en disolución acuosa: fenol, p-clorofenol, p-nitrofenol, Cu(II) y Co(II). De los resultados obtenidos se concluye que la adsorción de los fenoles se produce mediante mecanismos de fisisorción y quimisorción, favorecidos por una elevada superficie específica, adecuada distribución de porosidad y una química superficial constituida esencialmente por grupos básicos. La ozonización y otros tratamientos de oxidación, por tanto, no son recomendables para favorecer la adsorción de fenoles. Por el contrario, la adsorción de iones metálicos Cu(II) y Co(II) sucede mediante mecanismos electrostáticos y de intercambio iónico y formación de complejos superficiales. En este caso se requiere una superficie con PCZ bajo, lo que se consigue con tratamientos de ozonización y oxidación con ácido nítrico. El proceso catalítico estudiado consistió en la descomposición de ozono en agua para formar radicales hidroxilo, los cuales se emplean en procesos de depuración de aguas contaminadas (procesos de oxidación avanzada). Se ha observado que los carbones activados presentan un importante potencial para esta transformación ya que en su superficie el ozono se transforma en peróxido de hidrógeno, el cual reacciona con el ozono disuelto en agua iniciando un mecanismo de radicales libres que conduce a la formación de radicales hidroxilo. Las incorporación de óxidos metálicos (CuO y Co3O4) a la superficie del carbón acelera el proceso de transformación superficial de ozono, aunque se produce una menor concentración de radicales HO¿ en el seno del agua.