Resumen de Compact carbon-based membrane reactors for anaerobic biodegradation of azo-dyes
La contaminación de las aguas es una amenaza para la sostenibilidad del planeta y su importancia es cada vez mayor debido al crecimiento demográfico que se ha experimentado a lo largo de las últimas décadas. Este crecimiento trae consigo una amplia expansión del sector industrial, en este ámbito, los colorantes se empleados para diferentes fines como son la producción de papel, ropa, cosméticos, comida… La eliminación de colorantes en aguas residuales es un tema que atrae el interés científico por varios motivos. En primer lugar, los procesos de tratamientos aerobios ampliamente implantado en las estaciones depuradoras de aguas residuales es ineficaz ante estos compuestos. Además, el carácter biotóxico de estos colorantes podría dañar la biomasa que por carácter general domina estos procesos. Y no hace falta decir que su vertido directo a los ríos o mar acarrearía un daño irreparable a las especies que en ellos habitan. Por estas razones, procesos diferentes y específicos deben ser estudiados e implantados para conseguir la eliminación de estas moléculas.
Los colorantes de tipo azo representan el grupo más numeroso de estos compuestos sintéticos. En su estructura química presentan uno o varios enlaces azo que dificultan su degradación. Ésta puede ser de forma física, físico-química o biológica. La técnica física más utilizada se basa en la filtración, normalmente nanofiltración debido al pequeño tamaño de estos compuestos. Los métodos físico-químicos consisten en coagular-flocular las partículas colorantes y posteriormente decantarlas. La adsorción constituye una alternativa también utilizada. Por lo que hace a tratamientos químicos, existen múltiples estudios basados en vías oxidativas. En todos los casos, el coste directo asociado al tratamiento o la generación de residuos secundarios que deben ser a su vez tratados constituyen inconvenientes que dificultan su implantación.
En el ámbito de la biodegradación, se ha visto que se pueden mineralizar bajo condiciones anaerobias, no obstante, es necesario introducir una segunda fuente de carbón que sea oxidada y actúe como fuente de electrones para reducir el colorante. Hay substancias presentes en este tipo de medios, algunas de ellas provienen de la degradación del propio colorante, como las quinonas que actúan como portador de electrones facilitando el proceso. Aun así, se ha comprobado que éste es el paso limitante del proceso y es por ello que materiales externos electro-conductores han sido introducidos en estos sistemas con objeto de ser estudiados.
Estudios previos realizados por este mismo grupo de investigación comprobaron el efecto positivo que se produce al introducir carbón activado en la degradación anaerobia del colorante Acid Orange 7, también llamado Orange II. Se propuso un sistema de lecho empacado con material carbonoso que potenciaba en gran medida la mineralización de este compuesto. No obstante, este novedoso sistema presentó algunos inconvenientes como son la sobreproducción de biomasa y ensuciamiento del lecho, lo que provoca el bloqueo hidráulico del mismo. Ante este problema, no fue posible aplicar sistemas de limpieza adecuados. Además el sistema no incluye ningún tipo de elemento separador, capar de retener la biomasa u otras partículas de interés, por tanto eventualmente son arrastrados con el efluente y la introducción posterior de sistemas de separación de hace totalmente necesaria para conseguir un agua tratada de alta calidad.
Por ello, este trabajo plantea el uso de un innovador sistema en el cual se combina el material portador de electrones y el elemento separador en un mismo elemento. Esto se consigue mediante la preparación de membranas de carbono soportadas sobre elementos cerámicos. Estos materiales presentan poros en el rango de la nanofiltración por lo que ayudan a la retención de la totalidad de los compuestos que llevan a cabo la degradación. Además, la capa de carbono facilita el tránsito de electrones del mismo modo que lo hacía en el lecho empacado.
La síntesis de la membrana requiere condiciones específicas que son discutidas a lo largo de la tesis, de esta forma se consigue preparar una superficie uniforme y completamente cubierta de carbono. Este novedoso sistema permite similares velocidades de degradación del colorante azo Acid Orange 7, 80-100% (32 g•m-3•dia-1). Además, en casos esporádicos de elevado ensuciamiento sobre la membrana, este puede ser eficientemente eliminado a través de técnicas de limpiezas ampliamente utilizadas en este campo.
Una vez comprobado el favorable rendimiento de la técnica propuesta, la segunda parta de la tesis se enfocó al desarrollo de la membrana. Se estudiaron las variables que influyen a su rendimiento en la degradación de colorantes. Por ello, se modificaron variables como la cantidad de carbono que incorporan las membranas, o la porosidad de la membrana soporte, entre otros factores. De esta forma, se ha observado que membranas que contienen una cantidad de carbono mayor, tienden a ofrecer un mayor rendimiento en esta aplicación. Lo cual confirma el papel clave del intercambiador de electrones. Por otro lado también se observó que membranas rugosas favorecen la mineralización del compuesto. Esto es debido a que este tipo de superficies favorecen un mayor crecimiento de biomasa a la vez que una mayor capacidad de adsorción.
La tercera parte de la tesis abordó el estudio de sistemas con cámaras segregadas como alternativa al tratamiento de estos colorantes. Estos sistemas permiten el tratamiento independiente de dos corrientes con cargas de contaminantes totalmente diferentes. Compuestas de dos celdas de reacción, en una de ellas se oxida y en la otra se reduce, existiendo un flujo de electrones y de protones que como novedad en este caso se transmiten a través de las membranas ya implementadas y estudiadas en los apartados anteriores de la tesis. Se consiguen elevados índices de eliminación de una capacidad equivalente a 0.2 mg·dia-1.
Finalmente se abordó la síntesis de nuevos materiales carbonosos que a priori ofrezcan mejores condiciones para transportar los electrones que el carbón activado. Con este objetivo, se ha preparado grafeno parcialmente oxidado; posteriormente empleado en la preparación de membranas del mismo tipo que las discutidas en la primera parte de la tesis y que podrían ser empleadas en la misma aplicación o en cualquier otro proceso basado en mecanismos similares.
