Síntesis y caracterización de catalizadores basados en nanoesferas de carbono para la eliminación de contaminantes emergentes por oxidación húmeda catalítica

Resumen

El presente trabajo se enmarca dentro de la línea de investigación que se viene desarrollando en el grupo de investigación de Catálisis y Procesos de Separación (CyPS) del Departamento de Ingeniería Química y Materiales de la Universidad Complutense de Madrid, enfocada en el tratamiento de aguas residuales de carácter urbano e industrial. En concreto, en esta Tesis Doctoral se ha participado en diversos proyectos, como Red madrileña de tratamientos para la reutilización de aguas residuales y valorización de fangos S2018.EMT-4341 y Red madrileña de tratamientos avanzados de aguas residuales S2013.MAE-2716. En este contexto, se ha propuesto el estudio de degradación de varios contaminantes emergentes mediante tratamientos de oxidación avanzada catalizados con un catalizador sintetizado en el laboratorio. Primeramente, se realizó la síntesis del catalizador a partir de de nanoesferas de carbono elaboradas por el método de autoensamblaje con resorcinol y formaldehído usando como plantilla el ácido plurónico F127. Para la incorporación de los metales al soporte se empleó el método de impregnación a humedad inicipiente, seguido de una activación del mismo a 350ºC con nitrógeno e hidrógeno. La degradación de tres contaminantes emergentes (bisfenol A, ciprofloxacina y naproxeno) mediante oxidación húmeda catalítica en modo discontinuo se llevó a cabo con un catalizador de nanoesferas de carbono empleando Ru como fase activa. La optimización de las condiciones de reacción (temperaturas entre 130 y 140ºC, presión 20 bar, dosis de catalizador entre 0,67 y 2,00 g.L-1, concentración inicial de contaminante de 20mg.L-1) permitió que la degradación de los compuestos fuera posible en 90 minutos de tiempo de reacción. Se propusieron posibles mecanismos de reacción de los tres contaminantes emergentes, así como modelos cinéticos para el caso de la ciprofloxacina y naproxeno. El empleo del CNS-Pt condujo a una mayor degradación de naproxeno que el obtenido mediante CNS-Ru (97,5% para 180 minutos de tiempo de reacción). Se alcanzaron eliminaciones de naproxeno en la matriz acuosa HospWW del 82 y 61% para 180 minutos con los catalizadores CNS-Ru y CNS-Pt, respectivamente. Además, se estudió la degradación de los tres contaminantes en diferentes matrices acuosas reales, origen hospitalario, farmacéutico y superficial, y con diferentes fases activas (Pt, Fe y Ni) en el catalizador. Los catalizadores CNS-Fe(2%) y CNS-Ni(3%) no fueron capaces de degradar por completo los 3 contaminantes emergentes tras 3 horas de tiempo de reacción. El orden de degradación según la matriz acuosa empleada fue el mismo para los 3 contaminantes, empleando el catalizador CNS-Ru(2%). El orden de eficacia de los catalizadores para la degradación de naproxeno en agua ultrapura fue primero CNS-Ru, seguido de CNS-Fe, CNS-Pt y CNS-Ni. Asimismo, se estudió la degradación de bisfenol A tanto en agua ultrapura, como en una matriz acuosa de origen hospitalaria en régimen continuo en un reactor de lecho percolador utilizando como catalizador CNS-Ru(2%). Las condiciones óptimas de operación para alcanzar una completa degradación fueron 0,25 mg de masa de catalizador, 0,5mL.min-1 caudal de alimentación y una temperatura de 170 ºC. El régimen estacionario se alcanzó a partir de los 450 minutos de tiempo de reacción y el tipo de régimen de flujo fue de goteo para todas las condiciones ensayadas. El catalizador CNS-Ru mostró una alta estabilidad en 3 ciclos de reacción de 17 días, llegando a valores de conversión del 86% para el segundo reúso del catalizador. Además, empleando una matriz acuosa de origen hospitalario, se alcanzó una completa eliminación del contaminante emergente.