Advanced electrochemical and photochemical technologies for the treatment of poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs) in water

Resumen

La contaminación del agua se ha convertido en un desafío global que hace disminuir la capacidad de suministro de agua dulce y perjudicar la salud de las personas y el estado de los ecosistemas. Los recursos hídricos están actualmente amenazados debido al incremento de contaminantes emergentes de origen antropogénico, procedentes tanto de sectores industriales como de otro tipo de fuentes contaminantes. Entre estos contaminantes, las sustancias poli- y perfluoroalquílicas (PFASs) son compuestos altamente persistentes que han sido liberados al medio ambiente debido a su amplio uso en numerosas aplicaciones industriales y domésticas a partir de su creación hace algo más de 60 años. La alta resistencia de los PFASs a degradarse en los tratamientos de agua convencionales hace necesario desarrollar tecnologías avanzadas capaces de tratar las emisiones de PFASs y las aguas contaminadas, con bajo costo y alta eficiencia. Recientemente, los procesos fotoquímicos y electroquímicos han surgido como estrategias prometedoras para la eliminación de PFASs, debido a su capacidad para romper el enlace carbono-flúor predominante en la estructura molecular de los PFASs. En este contexto, el trabajo desarrollado en esta tesis tiene como objetivo desarrollar diferentes tecnologías electroquímicas y fotoquímicas para el tratamiento de PFASs en agua. Inicialmente se realizó la comparación morfológica, química y electroquímica de diferentes ánodos de diamante dopado con boro (BDD) para la degradación del ácido perfluorooctanoico (PFOA), compuesto modelo elegido por ser uno de los primeros PFASs incorporados a legislaciones medioambientales y de protección del consumidor. Mediante este estudio, se observó que el BDD microcristalino, que presenta mayor cantidad de carbono sp3 y menor conductividad que el BDD ultrananocristalino, dio lugar a una respuesta más eficiente para la degradación de PFOA. Además, se evaluó la aplicación práctica del ánodo de BDD microcristalino para el tratamiento de aguas residuales industriales reales generadas en procesos de fabricación de compuestos perfluroados, y que contienen una mezcla de PFASs, bajo el efecto de una composición compleja de la matriz acuosa caracterizada por una elevada carga orgánica, todo ello refractario al tratamiento aplicado en una estación depuradora de aguas residuales industriales. Los resultados mostraron que la oxidación anódica mediante BDD proporcionó una degradación del contenido de PFASs próxima al 100 % (>99.5%), junto con una alta mineralización de la carga orgánica. Por otro lado, la viabilidad de las tecnologías fotoquímicas fue inicialmente estudiada mediante la degradación de PFOA de disoluciones modelo con un nuevo catalizador compuesto preparado con TiO2 y óxido de grafeno reducido. Esta estrategia permite obtener una tasa de eliminación de PFOA 4 veces mayor que el valor obtenido en el proceso fotocatalítico con el catalizador TiO2, tradicionalmente empleado en fotocatálisis. Las excepcionales propiedades eléctricas del óxido de grafeno reducido hace que actúe como sumidero de electrones, disminuyendo la alta recombinación electrón/hueco del TiO2. Finalmente, se estudió la capacidad de diferentes técnicas fotoquímicas de oxidación y reducción para la eliminación de una mezcla compleja de PFASs presentes en aguas subterráneas impactadas por el uso de espumas anti-incendios. El proceso de oxidación se basó en el uso de radiación UV y persulfato de sodio para generar radicales sulfato, mientras que la técnica de reducción consistió en la fotólisis de sulfito de sodio como sintetizador de electrones hidratados. Dado que la eficacia de cada tratamiento es afectada por la estructura molecular de los PFASs, se propusieron tratamientos consecutivos de las técnicas de oxidación y reducción para lograr mayor degradación de estos contaminantes. Los diferentes experimentos mostraron que la combinación más adecuada era la reducción con sulfito seguido de la oxidación de persulfato, que dio lugar a una mayor tasa de eliminación del contenido total de PFASs. Finalmente, se calcularon los consumos energéticos de cada una de las tecnologías estudiadas en esta tesis doctoral. Estos resultados mostraron que la tecnología de electrooxidación logra altas tasas de degradación de los contaminantes PFASs con menores requerimientos energéticos que las técnicas fotoquímicas.