El empleo de materiales carbonosos obtenidos a partir de lignina como mejora en la eliminación de contaminantes con efectos de disrupción endocrina.
El bisfenol A (BPA), compuesto catalogado como disruptor endocrino, ha suscitado una gran atención entre la comunidad científica en los últimos años debido a su efecto sobre la función reproductiva, además de provocar hipertensión y enfermedades cardiovasculares. Por ello, la eliminación de este compuesto de las aguas es un problema de carácter prioritario. Se han estudiado diferentes métodos para su eliminación, como la nano/ultrafiltración, procesos de oxidación avanzada o la adsorción. Entre ellos, destacan los procesos de adsorción debido a su simplicidad, alta eficiencia, bajos costes de operación y la ausencia de generación de subproductos. Los resultados del tratamiento de eliminación de BPA mediante adsorción se han realizado empleando tres adsorbentes carbonosos que presentan diferente estructura porosa. Así, se ha trabajado con un carbón activado comercial (F400), un carbón activado sintetizado a partir de lignina Kraft mediante impregnación con H3PO4 (KLP) y un xerogel obtenido mediante reacción de policondensación de resorcinol-formaldehído (RFX). Además, se ha estudiado la influencia de la matriz acuosa sobre el proceso de adsorción empleando diferentes matrices medioambientalmente relevantes, como un efluente hospitalario, agua de río y un efluente procedente de una planta de tratamiento de aguas residuales (EDAR).
Silvia Álvarez Torrellas-Grupo Universidad Complutense de Madrid
La presencia de contaminantes emergentes en aguas residuales genera un aumento de su toxicidad. A pesar de las bajas concentraciones en las que estos compuestos están presentes en el agua, está demostrado que presentan efectos nocivos sobre la salud del ser humano y el medio acuático. Entre ellos se encuentra el bisfenol A (BPA), compuesto ampliamente usado en la producción de policarbonato y resinas epoxi. Se han detectado concentraciones significativas de BPA en el agua, como resultado de su eliminación poco eficaz en las plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales [1]. El BPA está catalogado como disruptor endocrino, mostrando una seria toxicidad biológica y efectos estrogénicos en los seres vivos.
Investigadores del Grupo de Catálisis y Procesos de Separación de la UCM han evaluado la eliminación de bisfenol A mediante adsorción sobre materiales carbonosos en varias matrices acuosas reales, obteniéndose excelentes resultados. Los adsorbentes empleados fueron un xerogel de carbono obtenido mediante policondensación de resorcinol-formaldehído (RFX), un carbón activado obtenido a partir de lignina (KLP) y un carbón activado comercial (F400), a efectos comparativos.
Estos materiales fueron seleccionados por las diferencias que presentan en sus propiedades texturales, fundamentalmente, superficie específica y distribución de tamaño de poro, con el fin de estudiar el papel de estas propiedades en el proceso de adsorción de BPA.
El xerogel de carbono mostró el valor más bajo de superficie específica (SBET = 625 m2/g) entre los tres materiales de carbono estudiados. Por otro lado, la isoterma de N2 del carbón activado obtenidos a partir de lignina (KLP) siguió una isoterma tipo I-II, según la clasificación de Giles, y una histéresis tipo H4, característica de materiales mesoporosos. Por lo tanto, el adsorbente KLP mostró un carácter micro-mesoporoso, frente al carácter eminentemente microporoso del material F400 y la naturaleza micro-macroporosa del xerogel de carbono. Así, el adsorbente KLP ofrece una interesantes propiedades texturales; un valor de superficie específica de 1053 m2/g combinado con una elevada superficie externa, 477 m2/g.
Los experimentos de adsorción en agua ultrapura revelaron valores elevados de capacidad de adsorción de BPA sobre el carbón activado comercial F400 y el carbón obtenido a partir de lignina Kraft (400 y 220 mg/g, respectivamente), mientras que con el empleo del xerogel (RFX) se obtuvo una menor capacidad de adsorción, 78 mg/g. Este comportamiento se atribuye, fundamentalmente, al gran contenido en microporos que muestran los adsorbentes F400 y KLP, estando demostrada la gran contribución de este parámetro en la adsorción de contaminantes orgánicos.
Las aguas residuales urbanas e industriales están altamente contaminadas debido a la presencia de diversos microorganismos, materia orgánica natural (NOM) y microcontaminantes. Las matrices acuosas estudiadas muestran características, como el contenido en materia orgánica, el pH o el contenido de sales, que pueden tener un efecto positivo o negativo en la adsorción de microcontaminantes. En este estudio se ha evaluado la influencia de tres matrices acuosas reales, agua residual de origen hospitalario (HW), agua superficial de río (RW) y el efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales (WWTP), sobre la adsorción de BPA, realizando experimentos de adsorción en discontinuo de estas matrices previamente fortificadas con BPA.
En este caso, la adsorción de BPA se vio afectada negativamente, ya que se observó una disminución significativa de la cantidad adsorbida de BPA en los experimentos con agua real, comparada con la capacidad de adsorción obtenida en agua ultrapura. La comparación en términos de capacidad de adsorción de BPA en las diferentes matrices reales estudiadas puede observarse en la Fig. 1.
Fig. 1. Influencia de la matriz real sobre la capacidad de adsorción de BPA en los adsorbentes carbonosos.
Para los experimentos con el agua superficial de río y el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales, se observó únicamente una moderada disminución de la capacidad de adsorción de BPA, mientras que en los experimentos realizados con el agua residual hospitalaria se obtuvo una disminución dramática de la misma. Estos resultados pueden ser explicados atendiendo a las características físico-químicas de las matrices acuosas, considerando el pH, contenido de sales y NOM como los parámetros que más influyen en el proceso de adsorción [2].
Así, el pH de la matriz afecta considerablemente al proceso de adsorción, ya que modifica las cargas superficiales del sistema adsorbente-adsorbato. Los adsorbentes estudiados mostraron carga negativa a pH natural. Por otro lado, el BPA se encuentra en forma neutra a un pH inferior a 8 y está cargado negativamente a valores de pH superiores [3]. Por lo tanto, debido al pH del efluente de hospital (8,6), la existencia de fuerzas electrostáticas de repulsión entre adsorbente y adsorbato podrían explicar la fuerte disminución de la capacidad de adsorción de BPA, en un intervalo del 35-48%, en comparación con la eliminación obtenida en agua ultrapura.
Más información sobre esta investigación se puede encontrar en:
Bibliografía
[1] Han, C., Hong, Y.C. (2016). Current Hypertension Reports, 18, 11-15.
[2] Hernández-Abreu, A.B., Álvarez-Torrellas, S., Águeda, V.I., Larriba, M., Delgado, J.A., Calvo, P.A., García, J. (2020). Journal of Environmental Management, 266, 110604-110613.
[3] Xu, J., Wang, L., Zhu, Y. (2012). Langmuir, 28, 8418-8425.