Tecnologías integradas basadas en el uso de carbón activado y radiación para la eliminación de contaminantes presentes en lixiviados de vertederos

Resumen

La revisión bibliográfica realizada en esta Tesis Doctoral describe la relevancia ambiental, así como los procesos más recientes aplicados para llevar a cabo la eliminación del ácido ftálico, bisfenol A, ácido difenólico, ácido 2,4-diclorofenoxiacético y ácido 4-cloro-2-metilfenoxiacético del agua destinada al consumo humano, aguas residuales, lodos y suelos. En general, los compuestos seleccionados se suelen encontrar en un amplio rango de concentraciones en los distintos sistemas considerados, siendo, la mayoría de ellos, disruptores endocrinos. La revisión realizada muestra también que hay numerosos procesos utilizados para la eliminación de estos compuestos de los diferentes medios, destacando los procesos químicos y biológicos, sin embargo, son los procesos de oxidación avanzada y las diferentes combinaciones de los mismos los más eficaces en la eliminación de los compuestos estudiados. El estudio de las cinéticas de adsorción de ácido ftálico, bisfenol A, ácido difenólico, ácido 2,4-diclorofenoxiacético y ácido 4-cloro-2-metilfenoxiacético sobre carbones activados comerciales mostró que el uso de modelos difusionales permite una mejor simulación de la velocidad de adsorción de los contaminantes sobre los carbones, ya que los supuestos considerados en estos modelos se aproximan en mayor medida al proceso real de adsorción. Los carbones activados seleccionados presentan una elevada capacidad de adsorción de ácido ftálico, lo cual puede ser atribuido al establecimiento de interacciones electrostáticas entre la superficie del carbón activado y el adsorbato. El proceso de adsorción del ácido ftálico es altamente dependiente del pH de la disolución, sin embargo, la fuerza iónica no tiene una influencia importante en el proceso de adsorción de este contaminante. Es interesante destacar el papel de los microorganismos en el proceso de adsorción, ya que la presencia de los mismos incrementó considerablemente la capacidad de adsorción de los carbones activados para extraer ácido ftálico. La composición química del agua es otra variable importante en el proceso de adsorción del ácido ftálico; así, la mayor capacidad de adsorción se produjo al utilizar agua residual, lo cual es debido a la precipitación de los ftalatos orgánicos y la formación de complejos entre el anión ftalato y los cationes metálicos presentes en el agua residual. Además, los resultados obtenidos en régimen dinámico confirmaron la existencia de fenómenos difusionales en el proceso de adsorción del ácido ftálico sobre el carbón activado. La eliminación del bisfenol A mediante procesos de oxidación avanzada basados en el uso de radiación ultravioleta puso de manifiesto que la radiación ultravioleta no es eficiente en la degradación de este compuesto, determinándose un rendimiento cuántico próximo a cero. Los estudios realizados con los sistemas UV/H2O2, UV/K2S2O8 y UV/Na2CO3 demostraron la gran reactividad del bisfenol A con los radicales hidroxilo, sulfato y carbonato/bicarbonato. La velocidad de eliminación depende, al igual que en el proceso de adsorción, de la matriz química del agua, del pH de la disolución y de la temperatura. En este proceso, la mayor velocidad de eliminación se observó en aguas residuales, lo cual es debido a una mayor generación de radicales en el proceso de fotoxidación de la materia orgánica disuelta. La mineralización de la materia orgánica disuelta fue más eficiente utilizando el sistema UV/K2S2O8, donde se obtuvo 76% de mineralización a los 60 min de tratamiento, comparado con el 57 y 38% obtenido con los sistemas UV/H2O2 y UV/Na2CO3, respectivamente. La aplicación del sistema UV/K2S2O8 redujo la toxicidad del medio, indicando que los subproductos de degradación generados son menos tóxicos que el compuesto original. Por otro lado, la aplicación del sistema UV/H2O2 incrementó la toxicidad del medio después del tratamiento, lo cual representa una desventaja para su aplicación en sistemas de tratamiento de aguas. Los resultados obtenidos en el proceso de fotocatálisis (UV/TiO2/carbón activado) del ácido 2,4-diclorofenoxiacético han permitido dilucidar el papel que presenta el carbón activado en este proceso. Los datos obtenidos han mostrado que las propiedades químicas del carbón activado son las principales responsables del aumento de la actividad catalítica del proceso combinado UV/TiO2/carbón activado. Así, la reducción de los grupos carboxílicos presentes en la superficie del carbón activado por los electrones generados en el proceso fotocatalítico (UV/TiO2) favorece la generación de radicales hidroxilo en el medio, incrementando, de este modo, la eliminación del 2,4-D. Además, la optimización del proceso ha permitido deducir que la variable más importante en el proceso basado en el uso simultáneo de UV/TiO2/carbón activado es la dosis de carbón activado adicionada al sistema. Más aun, el uso combinado de UV/TiO2/carbón activado conduce a un incremento en el porcentaje de mineralización de la materia orgánica y a una reducción de la toxicidad de los subproductos de degradación. La determinación de las contantes de velocidad de reacción del ácido ftálico, bisfenol A, ácido difenólico, ácido 2,4-diclorofenoxiacético y ácido 4-cloro-2-metilfenoxiacético con el radical hidroxilo, el electrón y el átomo de hidrógeno (principales productos generados en el proceso radiolítico del agua) ponen de manifiesto que la radiólisis se presenta como una alternativa prometedora en la eliminación de contaminantes orgánicos de las aguas. El efecto de las variables operacionales sobre la eficiencia del proceso radiolítico se estudió usando como compuesto modelo el ácido difenólico. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que el pH de la disolución desempeña un papel fundamental en la velocidad de eliminación. Así, la máxima degradación se alcanza a pH 7. Además, los experimentos realizados en presencia de aniones comúnmente encontrados en las aguas naturales (Br-, Cl-, CO32-, NO2-, NO3- o SO42-) mostraron una reducción en la velocidad de degradación del ácido difenólico, especialmente con aquellos aniones que actúan como atrapadores de radicales hidroxilo. Es interesante destacar que, independientemente de las condiciones experimentales utilizadas, la concentración de la materia orgánica disuelta, así como la toxicidad de los subproductos de degradación se reducen durante el proceso radiolítico del ácido difenólico. Finalmente, los resultados obtenidos con aguas naturales muestran que la eficiencia del proceso radiolítico se ve reducida en aguas caracterizadas por presentar elevada concentración de materia orgánica disuelta, así como con aguas caracterizadas por presentar una elevada concentración salina, ya que ambos factores actúan como inhibidores de radicales.