Eliminación eficiente de contaminantes presentes en aguas mediante catalizadores sintetizados a partir de lodos procedentes de estaciones depuradoras

El carbón activado derivado de lodos de depuradora con nanopartículas de hierro mostró una actividad catalítica muy eficaz en la degradación del antibiótico ciprofloxacina mediante un proceso de oxidación húmeda catalítica (Catalytic Wet Air Oxidation, CWAO). En el proceso de oxidación se evaluaron diferentes temperaturas (120-140ºC), presiones (10-30 bar) y dosis de catalizador (0,1-0,7 g/L) en un reactor discontinuo. En este sentido, la temperatura y la dosis de catalizador mostraron un impacto significativo en la eliminación del antibiótico. Así, la degradación de la ciprofloxacina y la selectividad hacia CO2 fueron superiores al 99 % y al 60 %, respectivamente, alcanzándose estos valores en 2 horas de operación a 140ºC y 20 bar. La pérdida de la fase activa (Fe) del catalizador en el medio de reacción fue insignificante, obteniéndose valores inferiores a 24 ppb. Este catalizador mostró una elevada estabilidad en las condiciones de reacción ensayadas. Asimismo, cálculos teóricos permitieron deducir la vía de degradación principal de este compuesto mediante CWAO. El estudio verificó la viabilidad técnica del catalizador sintetizado para su aplicación en matrices más complejas, ciclos de reacción consecutivos y a un bajo coste de tratamiento.

Silvia Álvarez Torrellas-Universidad Complutense de Madrid

En Europa se generaron en el año 2021 un total de 8,7 millones de toneladas de lodos secos de depuradora. La cantidad y las características de los lodos generados en una EDAR dependen en gran medida del afluente y del tipo de procesos de tratamiento utilizados. Se calcula que la producción de lodos aumentará considerablemente en los próximos años [1].

Los métodos tradicionales de gestión de estos lodos incluyen el vertido, la incineración, el compostaje, la digestión anaerobia (producción de biogás) y las aplicaciones agrícolas, entre otros [2]. Un método alternativo a los propuestos y que está ganando especial atención en los últimos años es la pirólisis. La pirólisis de lodos de depuradora puede reducir sustancialmente el volumen de residuos, carbonizar compuestos orgánicos, fijar metales pesados y destruir patógenos. El material de carbono derivado de este proceso podría utilizarse de forma sostenible para producir materiales carbonosos como adsorbentes o soportes catalíticos para posibles aplicaciones medioambientales utilizadas en la degradación de diversos contaminantes [3].

En los últimos años, el uso de productos farmacéuticos, especialmente de antibióticos, ha crecido exponencialmente, y, por tanto, se ha observado un aumento de la presencia de estos compuestos en aguas subterráneas, superficiales y residuales. Entre ellos, la ciprofloxacina, antibiótico perteneciente al grupo de las fluoroquinolonas, es uno de los contaminantes más frecuentemente detectados en matrices acuosas. Desgraciadamente, dado que este tipo de antibióticos se caracterizan por su baja biodegradabilidad, los procesos convencionales de tratamiento biológico de aguas residuales no son capaces de eliminar con éxito estos compuestos de las aguas.

En este estudio, se han sintetizado diferentes catalizadores de hierro a partir de lodos de depuradora con el fin de contribuir a la valorización de los residuos de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) y al desarrollo de catalizadores respetuosos con el medio ambiente y de bajo coste. Las pruebas de reacción se llevaron a cabo en un reactor discontinuo con un catalizador de hierro soportado sobre carbón activado obtenido a partir de lodos de depuradora. La eficacia del catalizador se estableció mediante el análisis de los siguientes parámetros: degradación de ciprofloxacina, mineralización alcanzada, eliminación de Carbono Orgánico Total (COT) y porcentaje de hierro lixiviado. Así, se estudió la influencia de las condiciones de operación, tales como la temperatura, la presión total y la dosis de catalizador, sobre la eficacia del proceso; asimismo, se llevó a cabo la eliminación de ciprofloxacina en una matriz acuosa real.

Como resultado del estudio, el grupo de Catálisis y Procesos de Separación de la Universidad Complutense ha propuesto una tecnología viable para la valorización de un residuo sólido, como son los lodos de depuradora, contribuyendo a la economía circular en las plantas de tratamiento de aguas residuales y a la eliminación de contaminantes emergentes, como la ciprofloxacina. En este sentido, el catalizador sintetizado a partir de lodos de depuradora presentaba un contenido en hierro y unas propiedades texturales y químico-superficiales adecuadas para su aplicación en procesos de oxidación. El catalizador basado en hierro mostró una elevada actividad catalítica, oxidando el contaminante completamente en 2 h a las siguientes condiciones de operación: 140 °C, 20 bar y 0,7 gCatalizador/L. La temperatura de reacción y la dosis de catalizador mostraron una influencia significativa en la eliminación de ciprofloxacina de la solución acuosa, mientras que la presión total no desempeñó un papel tan importante. Además, la degradación del COT no siempre mostró la misma tendencia que la eliminación de ciprofloxacina, lo que pudo deberse a una modificación de la vía de reacción. La cuantificación del hierro lixiviado en el medio de reacción reveló una baja pérdida de la fase activa, que no supone un riesgo medioambiental. De este modo, se garantiza una mayor vida útil del catalizador, aumentando el tiempo de desactivación del mismo. Mediante un estudio teórico se estimaron los compuestos intermedios originados y se pudo dilucidar su grado de oxidación. Además, el catalizador sintetizado presentó una actividad catalítica comparable a la reportada en bibliografía para catalizadores basados en metales nobles [4]. Finalmente, se verificó la viabilidad técnica del proceso en matrices acuosas medioambientalmente relevantes, como las aguas superficiales, obteniéndose una disminución prácticamente inapreciable de la actividad catalítica tras tres ciclos de reacción consecutivos (Figura 1).

 

 

Figura 1. Estructura general del estudio llevado a cabo por el Grupo de Catálisis y Procesos de Separación de la Universidad Complutense de Madrid.

Se puede encontrar más información sobre esta investigación en:

Bibliografía:

[1]     EurEau, Waste water treatment – sludge management, Brief. Note (2021) 1–32.

[2]     J. Canas, J. Garcia, B. Hermana, V.I. Agueda, S. Alvarez-Torrellas, Revision of the most harmful organic compounds present in sewage and sludge. The Handbook of Environmental Chemistry (HEC)-Emerging Pollutants in Sewage Sludge and Soils, Eds. by Dr. Avelino Núnez-Delgado & Dr. Manuel Arias-Estévez, Springer, 2022, pp. 1–20.

[3]     S. Alvarez-Torrellas, J.A. Peres, V. Gil-Alvarez, G. Ovejero, J. García, Effective adsorption of non-biodegradable pharmaceuticals from hospital wastewater with different carbon materials, Chem. Eng. J. 320 (2017) 319–329.

[4]     P. Gutierrez-Sanchez, S. Alvarez-Torrellas, M. Larriba, M.V. Gil, J.M. Garrido-Zoido, J. García, Efficient removal of antibiotic ciprofloxacin by catalytic wet air oxidation using sewage sludge-based catalysts: Degradation mechanism by DFT studies, J. Environ. Chem. Eng. 11 (2023) 109344.

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