Carbonización hidrotermal y economía circular: síntesis de catalizadores de bajo coste para el tratamiento de sus efluentes
Investigadores del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) de la URJC han realizado un estudio en colaboración con Repsol, y acaban de publicar un artículo (https://doi.org/10.1016/j.cattod.2023.114462) en el marco del proyecto UPGRES (https://upgresproject.com/).
En la investigación realizada se han preparado materiales carbonosos a partir de hidrochars obtenidos mediante el tratamiento de carbonización hidrotermal de residuos orgánicos. La carbonización hidrotermal (HTC, por sus siglas en inglés, Hydrothermal Carbonization) es un proceso químico que implica la conversión de materiales orgánicos en carbono sólido en condiciones de alta temperatura y presión en presencia de agua. Durante el proceso, los compuestos orgánicos presentes en los materiales se descomponen, dando lugar a la formación de carbono sólido, conocido como hidrochar. Este hidrochar tiene propiedades similares al carbón y puede ser utilizado en diversas aplicaciones, incluyendo como precursor para la síntesis de catalizadores carbonosos. Este proceso se considera una opción prometedora para la gestión de residuos orgánicos y la obtención de materiales carbonosos con aplicaciones diversas. Sin embargo, para conseguir una estructura porosa altamente desarrollada en estos materiales, se requiere de procesos de activación. La activación física, que implica el uso de CO2, y la activación química, que utiliza sustancias como KOH, ZnCl2, FeCl3, CuCl2, son métodos comunes para aumentar la superficie específica de los materiales carbonosos.
En este trabajo, se utilizó un hidrochar proveniente de la carbonización hidrotermal de lodos de digestión anaerobia de una planta de tratamiento de aguas residuales, y se evaluaron varios agentes activantes, una base (KOH) y diferentes sales de cloruro (FeCl3, ZnCl2 y CuCl2), para desarrollar materiales con una mayor área superficial y la posible fijación de especies activas de metales para su aplicación en procesos de oxidación húmeda catalítica. El uso de KOH como agente activante aumentó el área superficial del hidrocarburo hasta aproximadamente 1000 m2/g. La utilización de CuCl2 y FeCl3 como agentes activantes permitió obtener materiales dopados con Cu y Fe con áreas superficiales notables, con un 49% y un 42% de cada metal, respectivamente.
Por otro lado, los procesos de HTC generan un efluente acuoso, que potencialmente tóxico, que hay que tratar. La oxidación húmeda (WAO) es un proceso químico utilizado para descomponer materia orgánica en compuestos más simples mediante la acción del oxígeno. En la oxidación húmeda catalítica (CWAO), se introduce un catalizador que acelera la velocidad de la reacción de oxidación, facilitando que esta ocurra a temperaturas y condiciones más suaves de lo que sería necesario en ausencia del catalizador. Esto puede hacer que el proceso sea más eficiente y económico. Además, el catalizador puede influir en la selectividad de los productos de oxidación, favoreciendo la formación de ciertos compuestos deseados. Los catalizadores carbonosos pueden desempeñar un papel crucial en la eliminación de contaminantes orgánicos. Durante el proceso de oxidación, se pueden formar radicales libres, como los radicales hidroxilos (•OH). Estos radicales son altamente reactivos y pueden atacar y degradar eficientemente la materia orgánica presente en los efluentes. Los catalizadores carbonosos, como el carbón activado, nanotubos de carbono, grafeno y otros materiales carbonosos, pueden mejorar la eficiencia de estos procesos al proporcionar centros activos para la adsorción y la generación de radicales libres. Además, estos catalizadores a menudo son considerados opciones atractivas debido a su sostenibilidad y capacidad para reducir subproductos no deseados.
En la investigación realizada, se evaluaron carbones activados provenientes de hidrochar en un proceso de oxidación húmeda catalítica de un efluente acuoso de HTC a 250ᵒC y 50 bar de presión de aire, con una concentración de catalizador de 2,4 g/L durante 3 horas. Los carbones activados con CuCl2 demostraron una alta eliminación de carbono orgánico total debido a la fase activa de cobre depositada durante la activación. Se alcanzaron mineralizaciones de hasta un 70%, y el proceso eliminó completamente el color del efluente inicial.
Los resultados obtenidos sugieren que estos catalizadores de bajo coste podrían ser prometedores para el tratamiento de efluentes de HTC utilizando como catalizador el hidrochar obtenido del mismo tratamiento de residuos, cerrando por tanto el ciclo hacía una economía circular, según aparece en la Figura resumen del artículo.
