Uso de lodo residual de una depuradora de agua como adsorbente y soporte del catalizador dióxido de titanio en fotocatálisis para la remoción de contaminantes emergentes en aguas - Revilla Pacheco, Claudia Andrea (2024)
El presente trabajo tuvo como objetivos la modificación y la caracterización de activaciones térmica y química (LMT y LMQ) de un lodo químico proveniente del proceso de coagulación de la planta la Tomilla del Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Arequipa encontrando las condiciones óptimas de adsorción mediante pruebas en modo Batch con un colorante catiónico y uno aniónico evaluándolos mediante cinéticas de adsorción. Además, se plantearon los objetivos de soportar el catalizador TiO2 en LMQ y evaluarlo como fotocatalizador para su uso en los colorantes anteriormente mencionados. El agua es un componente esencial para todo ser vivo, y la contaminación presente en ella generada por el mismo ser humano es uno de los problemas más grandes en los últimos años debido al incremento de población que conlleva a una urbanización no planeada y sobre todo debido la industrialización, que arroja compuestos nocivos para la fauna acuática e incluso llegará afectar a los seres humanos si no son correctamente tratadas y recirculadas para el consumo humano. Adicionalmente, las plantas de tratamiento de agua potable producen una larga cantidad de lodo como parte de su proceso de floculación, lo cual también representa un tema a tratar ya que es necesario encontrarle un uso que sea efectivo y que no sea simplemente un desperdicio ambiental y económico (Lian et al., 2020; Senthil Kumar et al., 2019). Para cumplir los objetivos planteados se utilizaron ensayos fisicoquímicos para hallar % de sólidos totales, cenizas y densidad aparente según las normas ASTM, adicionalmente también se realizaron pruebas de análisis de superficie, SEM, FT-IR y DRX para caracterizar tanto los lodos como los materiales sintetizados. Para la determinación de las mejores condiciones de adsorción, LMT activados entre 400-700°C y LMQ activados a 0.25,0.5 y 1 M, ensayos en modo batch fueron utilizados usando 0.5 g/100 mL en los colorantes Rojo G (RG) y Rojo Congo (RC) .El LMQ 0.25 M fue testeado en pH entre 2-10 para ambos colorantes con condiciones de trabajo muy similares a las anteriormente mencionadas. Asimismo, la cantidad de lodo varió entre 0.05-0.5 g/100 mL para la construcción de las isotermas de adsorción. FT- IR y XRD se usaron como técnicas de caracterización de TiO2 soportado en LMQ. Tanto RG, RC y CP fueron usados como contaminantes de estudio en ensayos de fotocatálisis en un simulador solar conservando 0.5 g/100 mL de TiO2. Adicionalmente, con el fin de mejorar el % de remoción se combinaron fotocatálisis con cavitación hidrodinámica (FC-CH) con ensayos a mayor escala ( 4 L) para RG, RC y CP. La caracterización fisicoquímica del LC fue la siguiente: contenido de cenizas totales, CT = 22%, contenido de sólidos totales, ST= 75%, densidad aparente, DA= 0.760 g/mL y pH =5.92. Las propiedades físicas de superficie fueron analizadas aplicando el método BET para obtener su área superficial específica (SBET), utilizando un equipo de fisisorción. El LC y LC modificado química/térmicamente (LMQ/LMT) mostraron ser un materiales mesoporosos con multicapas y un SBET = 38 m2/g (LC), que incrementó con una activación térmica a 600°C (LMT) hasta un SBET = 79 m2/g. Asimismo, las imágenes tomadas con microscopio electrónico de barrido (SEM), mostraron una estructura externa saturada con bordes irregulares (LC). Los ensayos de DRX y FT-IR indicaron la presencia aluminio y materia orgánica que va desapareciendo conforme las temperaturas de activación se van incrementando, adicionalmente se evidenció la presencia de silicio propio de los suelos que también suelen tener composicionalmente hierro, aluminosilicatos y óxidos de aluminio. Para los tratamientos de adsorción modo batch el LMT fue eficiente sólo para el RC (R = 72.09 % , t reacción =1 ½ h, y T = 600 °C . El LMQ con HNO3 a 0.25 M, removió ambos colorantes en un rango de (70 al 90) % en un t reacción = ½ h. Se realizaron las isotermas de adsorción al LMQ , el modelo matemático de Langmuir tuvo un mejor ajuste a los valores experimentales, obteniendo lo siguiente para el RG y el RC respectivamente qmax = (19.072 y 20.458) mg/g. La eficiencia del LMQ a 0.25 M mejoró cuando el pH disminuyó, se infiere que sea debido a una mayor afinidad electrostática. Posteriormente, el catalizador TiO2 fue soportado en el LMQ 0.25 M en proporciones de 1:1, 1.25:1 y 1.5:1 respectivamente, mostrando una mejor actividad catalítica para la relación 1:1, este último al ser caracterizado mediante DRX se encontraba en su forma cristalina de anatasa. El mejor % remoción fue de 62.63 % para la descomposición del antibiótico ciprofloxacino con una k= 3.0x10-4 mM-1.min-1 en un tiempo de reacción de t = 2 ½ h. Sin embargo, para FC-CH se obtuvo un R= 73.95 % con una k= 6.3x10-3 min-1 en un t reacción= 1 h. En el presente trabajo, los LMT y LMQ fueron activados y testeados tanto para RG como para RC, siendo ambos bastantes eficientes en la remoción de RC. El LMQ:TiO2 1:1 no mostró ser eficiente para la remoción de los colorantes, se infiere que fue debido a un menor paso de los fotones de luz hacia la superficie del catalizador, lo que evitaría una producción de radicales libres. Asimismo, la combinación de FC-CH logró un efecto sinérgico entre ambos procesos y potenció su eficiencia ya sea por una mayor producción de radicales libres o por el rompimiento de las partículas del catalizador que incrementaría tanto su SBET como los sitios activos.