Desarrollo e implantación de materiales porosos avanzados para la eliminación y/o degradación de cloritos y cloratos en aguas potables

• Autores: Juan Gabriel Sánchez Cano
• Directores de la Tesis: Patricia Horcajada Cortés (dir. tes.), Antonio Lastra de la Rubia (dir. tes.), Sara Rojas Macías (dir. tes.), Yolanda Pérez Cortés (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2026
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: David Fairén Jiménez (presid.), Juan Antonio Melero Hernández (secret.), Serena Molina Martínez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
• Menciones:
  • Industrial
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
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• Resumen

  • Garantizar el acceso a agua potable segura constituye uno de los mayores desafíos de la ingeniería ambiental contemporánea. En la actualidad, casi 703 millones de personas carecen de acceso al agua, lo que supone aproximadamente 1 de cada 10 personas, más de 2.000 millones de personas no disponen de agua potable, en torno al 26 % de la población total, y aproximadamente 3.600 millones carecen de forma segura de acceso a la gestión de servicios de saneamiento, alrededor del 46 % de la población mundial. Las estimaciones apuntan a un empeoramiento significativo de la situación para 2050, como consecuencia de la escasez del agua y el estrés hídrico, que podría afectar a entre 1.700 y 2.400 millones de personas, lo que supone aproximadamente el doble de los 930 millones registrados en 2016 Dentro de las operaciones esenciales en las ETAPs que garantizan la calidad del agua potable, están los procesos de desinfección, ya que permiten eliminar microorganismos patógenos y materia orgánica que podrían desencadenar enfermedades infecciosas, e incluso epidemias, como fiebre tifoidea, disentería, cólera o hepatitis A o E. Aunque la desinfección es indispensable para asegurar la potabilidad del agua, este proceso puede dar lugar a la formación de subproductos de desinfección, disinfection by-product (DBPs), especialmente cuando se emplea dióxido de cloro como agente desinfectante que destaca por su elevada eficacia frente a microorganismos resistentes al cloro libre. Entre dichos subproductos, el clorito y el clorato han generado una notable atención debido a su asociación con efectos adversos para la salud en exposiciones prolongadas (anemia e hipotiroidismo). Ante la creciente preocupación sanitaria, la Unión Europea ha aprobado la nueva Directiva UE 2020/2184 en 2021, estableciendo límites cada vez más estrictos de 0,25 mg·L-1 de estos subproductos de desinfección en el agua potable, lo que ha generado la necesidad de desarrollar nuevas estrategias de tratamiento capaces de eliminarlos de manera eficiente.

    El tratamiento de clorito y clorato en agua potable constituye un reto significativo, lo que ha impulsado el desarrollo de diversas tecnologías, incluyendo procesos físicos, químicos, biológicos y electroquímicos. Los procesos químicos y catalíticos destacan por su elevada eficacia y rapidez, permitiendo la reducción de estos oxoaniones en condiciones controladas. No obstante, su implementación a escala real se ve limitada por la necesidad de condiciones específicas de operación, el uso de reactivos adicionales y los costes asociados. De manera similar, los procesos biológicos han demostrado ser altamente eficaces mediante mecanismos enzimáticos específicos (enzimas (Per)clorato reductasa y clorito dismutasa), pero su sensibilidad a variables ambientales y la complejidad de su control dificultan su integración en sistemas de potabilización. Por otro lado, las tecnologías electroquímicas ofrecen una elevada capacidad de transformación y flexibilidad operativa, aunque presentan limitaciones importantes relacionadas con el consumo energético, la durabilidad de los electrodos y la posible formación de compuestos secundarios no deseados. Frente a estas limitaciones, los procesos de adsorción emergen como alternativas sostenibles, eficaces y económicamente viables en términos de implementación y operación para la eliminación de contaminantes en aguas potables. Actualmente, existen pocos estudios en eliminación de cloritos y cloratos mediante materiales adsorbentes, únicamente algún estudio utilizando carbón activo granulado. Por ello, la presente tesis doctoral se centrará en el desarrollo y evaluación de materiales adsorbentes avanzados para la eliminación de clorito y clorato en agua potable, abordando el problema desde una perspectiva multidisciplinar que integra el diseño de materiales, el estudio de mecanismos de adsorción y la validación tecnológica en condiciones reales de operación.

    El objetivo global de esta tesis doctoral consiste en el diseño, escalado y validación de materiales adsorbentes avanzados para la eliminación de oxoaniones derivados de subproductos de desinfección, en concreto, cloratos y cloritos, en agua potable. Para ello, se plantea la funcionalización de carbones activados con surfactantes catiónicos y el uso de materiales MOFs como adsorbentes emergentes, considerando criterios de estabilidad hidrolítica, biocompatiblidad, con el fin de evaluar su capacidad de eliminación de oxoaniones mediante estudios de adsorción, cinética, mecanismos y operación en flujo continuo, así como ciclos de adsorción-regeneración. Posteriormente, se aborda la transferencia a escala piloto de los materiales seleccionados (carbón activo modificado y MOF), incluyendo el análisis de parámetros de viabilidad como el rendimiento espacio-tiempo (STY). Finalmente, la capacidad de adsorción de los materiales a gran escala es evaluada en una planta piloto de una ETAP en condiciones reales de tratamiento.

    La metodología desarrollada en esta tesis se basa en la síntesis, caracterización y evaluación de materiales adsorbentes avanzados para la eliminación de clorito y cloratos en aguas potables. Se modificaron carbones activados con surfactantes catiónicos mediante impregnación controlada, obteniendo múltiples materiales con distinta naturaleza superficial. En paralelo, se seleccionaron MOFs en función de su estabilidad hidrolítica, porosidad y biocompatiblidad y se sintetizaron mediante rutas hidro/solvotermales, a reflujo y síntesis asistida por microondas. Posteriormente, los materiales más eficaces se escalaron a nivel piloto, tanto en sistemas de 300 L para carbones activados modificados con surfactante, como en un reactor de 20 L para el MOF. Todos los experimentos de eliminación de cloratos y cloritos se realizaron utilizando agua potable real procedente de la empresa Canal de Isabel II S.A., M.P., ajustando el clorito y clorato a escenarios reales y extremos de concentración. Finalmente, los materiales escalados se llevaron a cabo en columnas de adsorción a escala piloto en la ETAP de Colmenar Viejo, en condiciones operativas reales.

    En primer lugar, en el Capítulo I se investigó el potencial de carbones activados modificados con surfactantes catiónicos como adsorbentes para la eliminación de oxoaniones. Para ello, se seleccionaron dos carbones activados granulares comerciales (GAC) y se funcionalizaron mediante un método de impregnación acuosa utilizando diferentes surfactantes de amonio cuaternario.

    Los ensayos de adsorción demostraron que la funcionalización del carbón activado incrementa significativamente su capacidad para eliminar clorato y clorito del agua potable. En particular, el material modificado con el surfactante cloruro de cetilpiridinio (CPC) mostró los mejores resultados, alcanzando eliminaciones completas de clorito y hasta aproximadamente un 80 % de clorato en tan solo 2 h. El análisis del proceso reveló que el mecanismo principal de eliminación está asociado a procesos de intercambio iónico y atracción electrostática entre los oxoaniones y los grupos catiónicos del material. Posteriormente, se realizó un estudio cinético detallado que evidenció que el proceso de adsorción sigue un modelo de pseudo-segundo orden (PSO), lo que sugiere la participación de interacciones químicas entre los oxoaniones y los sitios activos del adsorbente. Asimismo, se observó que la adsorción ocurre de forma extremadamente rápida, alcanzando el equilibrio en pocos minutos (<5 min), lo que resulta compatible con los tiempos de contacto típicos utilizados en los sistemas de filtración en ETAPs.

    Con el fin de evaluar su aplicabilidad práctica, el material CPC@GAC se implementó en sistemas de flujo continuo, simulando condiciones reales de operación en plantas de tratamiento de agua potable. Los resultados mostraron que el adsorbente modificado presenta un rendimiento significativamente superior al carbón activado sin modificar, aumentando de manera notable el tiempo de saturación de las columnas. Para el material modificado (CPC@GAC), el tiempo de saturación del 50 % fue casi 5,6 veces superior al tiempo alcanzado para el GAC. Además, se demostró la posibilidad de regenerar el material mediante procesos simples de intercambio aniónico utilizando soluciones concentradas de cloruro sódico. El estudio desarrollado se llevó a cabo mediante ciclos en continuo de adsorción-regeneración, completando el primer ciclo tras 264 h de operación.

    Tras validar el material a escala de laboratorio, en el Capítulo II se abordó el escalado del proceso de producción del carbón activado modificado, evaluando su viabilidad tecnológica mediante la producción a escala semi-piloto. Para ello, se realizó un estudio a escala de laboratorio para la optimización del material. El método optimizado se impregnó en un carbón activo granulado industrial ya implantando en ETAPs, con el fin de evaluar la reproducibilidad del método. El proceso de laboratorio confirmó una impregnación similar de surfactante en el carbón activo granulado industrial en comparación con el comercial. El proceso de impregnación optimizado permitió obtener cantidades significativas de material (≈ 46 kg por lote) con un elevado rendimiento espacio-tiempo (STY) de 746 kg·m-3·día-1, lo que confirmó la viabilidad económica del método. Posteriormente, el material escalado fue evaluado en la planta piloto de Colmenar Viejo. Las pruebas piloto se desarrollaron bajo condiciones reales de operación en flujo continuo, con tiempos de contacto de lecho vacío (EBCT) entre 5 y 15 min con caudales de agua de 9,3-27,8 L·min-1. El material alcanzó la saturación de cloratos tras 93 días de flujo en continuo, demostrando una elevada eficacia en la eliminación de clorato y clorito bajo condiciones operativas reales.

    Alternativamente, el Capítulo III explora el potencial de polímeros de coordinación porosos, conocidos en inglés como Metal-Organic Frameworks (MOFs), como materiales adsorbentes innovadores para el tratamiento de agua potable. Entre los materiales estudiados, el aminotereftalato de hierro MIL-88B(Fe)-NH₂ destacó por su combinación de alta estabilidad estructural y capacidad de adsorción. Este material fue capaz de eliminar completamente el clorito y alcanzar tasas moderadas del 24-41 % de eliminación de clorato en tiempos muy cortos, inferiores a 15 minutos. Además, mostró una excelente estabilidad química en agua potable, con una degradación mínima del 1 % del material.

    Para comprender mejor los mecanismos de adsorción, se llevaron a cabo estudios de modelado molecular que permitieron analizar las interacciones entre los oxoaniones y la estructura del MOF. Los resultados indicaron que la adsorción está dominada principalmente por interacciones electrostáticas y efectos entrópicos asociados a la confinación de los aniones en los poros del material. Además, se realizaron estudios cinéticos para evaluar el tiempo de saturación en el equilibrio del material, información relevante para su posterior implantación en ETAPs. El proceso cinético se ajustó excelentemente al modelo pseudo-segundo orden (PSO), confirmando el mecanismo de intercambio iónico o interacciones con centros activos del material. La cinética demostró una eficaz y rápida eliminación de cloritos en tan solo 1 minuto, mientras que el clorato alcanza el equilibrio en 10 min, tiempos equivalentes a las condiciones de operación de las ETAPs.

    Finalmente, el MOF seleccionado se compactó en forma de pellets y se evaluó en sistemas de flujo continuo, aplicando un caudal descendiente de agua potable de 0,42 mL·min-1, equivalente a 0,12 m3·h-1·m-2 y un EBCT de 12 min, valores compatibles y normalmente empleados en ETAPs reales, y en condiciones extremas de concentración (0,3 mg·L-1 de cloritos y 3,3 mg·L-1 de cloratos). La máxima saturación de cloratos se alcanzó transcurridos 3 días de operación, mientras que no se detectaron concentraciones de cloritos en el efluente. Además, la degradación del material fue inferior a un 2 % durante todo el proceso, destacando una notable estabilidad hidrolítica del material. La columna fue regenerada en flujo continuo con una concentración de 12,6 mM de NaCl con el fin de evaluar la vida útil del material. Se llevaron a cabo 3 ciclos sucesivos de adsorción-regeneración, empleando un tiempo total de operación de 11 días. El material mostró una elevada estabilidad hidrolítica con tan solo un 7 % de degradación durante los 11 días de flujo continuo.

    Finalmente, en el 4.4. Capítulo IV se ha evaluado la escalabilidad del material MIL-88B(Fe)-NH₂ mediante el estudio de la cristalinidad, pureza y producción del material a escala de laboratorio para diferentes tiempos de síntesis de 6 a 24 h, lo que sugiere que la nucleación y crecimiento cristalino se establecen a tiempos cortos de reacción y permanecen estable durante el resto del proceso. Para validar la transición de la síntesis de escala de laboratorio a escala piloto, se analizó su estabilidad estructural y morfología en un reactor de vidrio de 20 L a reflujo (Longitud = 77 cm, diámetro = 20 cm). Este estudio mostró que la fase cristalina se forma en las primeras horas y permanece estable, lo que confirma la reproducibilidad del material en el escalado. La escalabilidad del MOF permitió la producción de 1 kg de material por lote, alcanzándose un valor de STY estimado de 127,5 kg·m-3·día-1. Una de las limitaciones que presentan los escalados es la estabilidad del material conformado. Por ello, se abordó un estudio de la estabilidad mecánica de pellets cuando son expuestos a diferentes humedades, ya que está estrechamente relacionado con la aplicación deseada. La solvatación parcial de la red (43,3-57,4 % de humedad relativa) puede actuar como un parámetro crítico que controla la cohesión entre las partículas y mejora la plasticidad, favoreciendo la formación de puentes líquidos entre partículas, mientras que humedades relativas superiores o inferiores implican una disminución en la resistencia mecánica de los pellets. Por último, se elaboró un prototipo de adsorbente para ser implantado en columnas de adsorción de la planta piloto de la ETAP de Colmenar Viejo y realizar una prueba de concepto para evaluar su capacidad de adsorción de cloritos y cloratos en condiciones reales de operación. En este caso, el material eliminó el 60 % del clorato a tiempos cortos, alcanzando la saturación del material en torno a las 8 h de operación, sin detectarse cloritos en el efluente durante todo el proceso. El MOF mantuvo su estabilidad, con una degradación inferior al 0,01 % y manteniendo su cristalinidad tras el proceso. El escalado de MIL-88B(Fe)-NH2 representa un avance significativo, al tratarse del primer MOF flexible de hierro producido a escala piloto (kg) e implantado en una planta piloto para el tratamiento de agua potable, abriendo nuevas oportunidades para el desarrollo e integración industrial de materiales MOFs.

    En conjunto, las principales conclusiones de esta tesis demuestran que la modificación del carbón activado mediante surfactantes catiónicos constituye una estrategia altamente eficaz y fácilmente implementable para la eliminación de subproductos de desinfección en agua potable. Su escalado demostró una alta reproducibilidad, estabilidad operativa y viabilidad tecnológica (TRL 5-6), alcanzando largos tiempos de operación en condiciones reales de ETAP. Asimismo, los MOFs se presentan como una alternativa emergente con gran potencial debido a una excelente estabilidad hidrolítica, biocompatibilidad y cinéticas de adsorción rápidas, aunque todavía requieren avances adicionales para su implementación a gran escala. Esta investigación contribuye así al desarrollo de nuevas tecnologías de tratamiento de agua más eficientes, sostenibles y compatibles con las infraestructuras existentes, ofreciendo soluciones innovadoras para mejorar la calidad del agua potable y proteger la salud pública.

    Ingles: Access to safe drinking water remains one of the major challenges in environmental engineering. Despite significant progress in recent decades, around 703 million people worldwide still lack access to safe drinking water, approximately one in ten individuals. In comparison, more than 2 billion people rely on water services that are not safely managed. In addition, about 3.6 billion people lack access to adequate sanitation, representing nearly half of the global population. These scenarios are expected to worsen by 2050 due to increasing water scarcity and intensifying water stress.

    Disinfection is a key step in drinking water treatment plants (DWTPs), ensuring the inactivation of pathogenic microorganisms and the removal of harmful organic matter that can cause waterborne diseases such as cholera, dysentery, typhoid fever, and viral hepatitis. However, while essential for public health, disinfection processes can also lead to the formation of disinfection by-products (DBPs). This is particularly relevant when chlorine dioxide is used, given its high efficiency against chlorine-resistant pathogens. Among the resulting by-products, chlorite and chlorate are of growing concern due to their potential adverse health effects following long-term exposure, including impacts on thyroid function (hypothyroidism) and red blood cells (anemia).

    In response to these concerns, the European Union introduced Directive EU 20/2184, establishing a stringent parametric value of 0.25 mg·L-1 for the sum of chlorite and chlorate in drinking water. This regulatory framework highlights the urgent need for effective treatment strategies capable of removing these anions.

    The removal of chlorite and chlorate from drinking water remains technically challenging and has prompted the exploration of a wide range of treatment approaches, including chemical, catalytic, biological, and electrochemical processes. Chemical and catalytic methods are often highly efficient and fast, but their application at a large scale is constrained by operational complexity, reagent consumption, and cost. Biological treatments, based on enzymatic pathways such as (per)chlorate reductase and chlorite dismutase, can achieve excellent removal efficiencies; however, their sensitivity to environmental conditions and the difficulty of process control limit their applicability in drinking water systems. Electrochemical technologies provide an alternative with high versatility and transformation potential, although they are often associated with high energy demand, electrode degradation, and the possible formation of secondary by-products. In contrast, adsorption processes stand out as a robust, cost-effective, and scalable solution. Nonetheless, studies focusing on the adsorption of chlorite and chlorate are still scarce, with most work limited to conventional granular activated carbons.

    This doctoral research addresses this gap by developing and evaluating advanced adsorbent materials for the removal of chlorite and chlorate from drinking water. The work adopts a multidisciplinary approach that combines material design, mechanistic understanding, and validation under realistic operation conditions.

    The main objective of this thesis is the design, scale-up, and validation of advanced adsorbents for the removal of oxoanions derived from disinfection by-products, with particular emphasis on chlorite and chlorate. To achieve this, two complementary strategies are explored: the functionalization of activated carbon using cationic surfactants and the development of Metal-Organic Frameworks (MOFs) as emerging adsorbents. Material performance is assessed through adsorption capacity, kinetics, and mechanistic studies, as well as continuous-flow operation and regeneration cycles. Selected materials are subsequently scaled up and evaluated in pilot systems, including the analysis of key engineering parameter sus as space-time yield (STY). Finally, their performance is validated in a pilot drinking water treatment under real operation conditions, localized to Colmenar Viejo DWTP from Canal de Isabel II S.A., M.P. company.

    The experimental work is based on the synthesis, characterization, and performance evaluation of these materials. Activated carbons were modified via controlled impregnation with cationic surfactants to tailor their surface properties. In parallel, MOFs were selected according to criteria such as hydrolytic stability, textural properties, and biocompatibility. These materials were synthesized using hydrothermal, solvothermal, ambient pressure (reflux), and microwave-assisted methods. The most promising materials were scaled up to pilot level, including production at the 300 L scale for modified activated carbons and at the 20 L scale for MOFs. All adsorption experiments were conducted using real drinking water from Canal de Isabel II S.A., M.P. company, with concentration adjusted to both realistic and worst-case scenarios. The scaled materials were ultimately tested in pilot-scale columns under continuous operation in Colmenar Viejo DWTP.

    Chapter I investigated in depth the potential of surfactant-modified activated carbons as tailored adsorbents for the removal of oxoanions, specifically chlorite and chlorate, from drinking water. Two commercially available granular activated carbons (GACs) were selected as starting materials and subsequently functionalized via an aqueous impregnation method using different quaternary ammonium surfactants. This modification strategy was designed to introduce positively charged functional groups onto the carbon surface, thereby enhancing affinity toward negatively charged species.

    A comprehensive characterization of the modified materials confirmed successful surfactant incorporation and revealed significant changes in surface chemistry, while preserving the porous structure of the parent carbons. Batch adsorption experiments demonstrated a clear improvement in performance after functionalization. Among the different materials evaluated, the carbon modified with cetylpyridinium chloride (CPC) exhibited the highest adsorption capacity. This material achieved complete removal of chlorite and up to approximately 80% removal of chlorate within a contact time of 2 hours under the tested conditions.

    A detailed analysis of the adsorption mechanism indicated that removal is primarily governed by electrostatic interactions between the oxoanions and the positively charged functional groups introduced by the surfactant, as well as by ion-exchange processes occurring at the surface. These interactions were further supported by equilibrium and kinetic modelling. The adsorption kinetics were accurately described by a pseudo-second order (PSO) model, suggesting that the rate-limiting step is associated with chemical interactions between the adsorbate and the active sites of the material rather than with mass transfer limitations alone. One of the most relevant findings is the extremely fast adsorption rate observed for both species. Equilibrium was reached within a few minutes (typically below 5 minutes), which represents a critical advantage for practical implementation, as it is fully compatible with the short contact times commonly employed in drinking water treatment plants. This rapid uptake highlights the accessibility and effectiveness of the active sites generated during functionalization.

    To further assess the applicability of the developed materials under realistic conditions, the CPC-modified activated carbon (CPC@GAC) was tested in continuous-flow column experiments designed to simulate full-scale operation. Breakthrough curves were obtained and compared with those of the unmodified carbon. The results showed a substantial improvement in dynamic performance after modification. In particular, the breakthrough time corresponding to 50% saturation (t50%) for CPC@GAC was approximately 5.6 times longer than that of the pristine GAC, demonstrating a significantly enhanced service life of the adsorbent bed. In addition to adsorption performance, the regeneration capability of the material was evaluated as a key parameter for its practical use. The CPC@GAC material was successfully regenerated using concentrated sodium chloride solutions (NaCl), promoting desorption through competitive ion exchange. Successive adsorption-desorption cycles were performed in continuous flow, confirming that the material retains its performance over time. This first complete cycle, including adsorption until breakthrough and subsequent regeneration, was achieved after 254 hours of operation, demonstrating both stability and reusability under realistic conditions.

    Chapter II focuses on the scale-up of the optimized modification process developed in Chapter I and on the assessment of its technological feasibility at semi-pilot scale. The impregnation methodology was adapted and applied to an industrial-grade granular activated carbon already used in drinking water treatment plants, ensuring direct applicability of the results.

    The scale-up process maintained the effectiveness observed at the laboratory scale, confirming the robustness and reproducibility of the functionalization method. Production was successfully increased to approximately 46 kg of modified material per batch, while achieving a high space-time yield (STY) of 746 kg·m-3·day-1. These values indicate that the process is not only technically viable but also economically competitive for large-scale implementation.

    The scaled CPC-modified activated carbon was subsequently evaluated under real operating conditions in a pilot drinking water treatment plant. Continuous-flow column experiments were conducted using actual drinking water matrices. The results confirmed the excellent performance of the material, with chlorate breakthrough occurring only after 93 days of continuous operation. This long operational lifetime highlights the strong potential of the material for real-world applications and validates the scalability of the approach.

    Chapter III explores the use of Metal-Organic Frameworks (MOFs) as advanced and highly tunable adsorbent materials for the removal of chlorite and chlorate. Several MOFs were selected based on key criteria such as hydrolytic stability, structural robustness, porosity, and biocompatibility, which are essential requirements for applications in drinking water treatment.

    Among the materials studied, the iron-based aminoterephthalate MIL-88B(Fe)-NH2 demonstrated the most promising performance. This material combines a flexible structure with high chemical stability in aqueous media, making it particularly suitable for water treatment applications. Batch adsorption experiments showed that MIL-88B(Fe)-NH2 is capable of achieving complete chlorite removal and partial chorate removal (in the range of 24-41%) within short contact times (below 15 minutes). Stability test confirmed that the material undergoes minimal degradation in drinking water conditions (approximately 1%), which is a critical requirement for its safe use. To gain deeper insight into the adsorption mechanism, molecular modeling studies were conducted. The results suggest that adsorption is driven by a combination of electrostatic interaction and entropic effects associated with the confinement of anions within the porous structure of the MOF.

    Kinetic studies revealed very rapid adsorption behavior, consistent with experimental observations. Chlorite removal reached equilibrium in approximately 1 minute, while chlorate required around 10 minutes. The results were well described by a pseudo-second order (PSO) kinetic model, again indicating the relevance of specific interactions between the adsorbate and the framework.

    For practical implementations, the MOF was shaped into pellets to improve its handling and applicability in continuous systems. The pelletized material was tested in fixed-bed column experiments under realistic operating conditions. The system maintained complete chlorite removal and achieved chlorate saturation after approximately 3 days of operations, while preserving structural integrity and exhibiting minimal degradation (below 2%). Regeneration studies demonstrated that the material can be reused over multiple adsorption-desorption cycles without significant loss of performance. Three consecutive cycles were successfully completed, confirming the stability and reusability of the MOF under operational conditions.

    Chapter IV addresses the scale-up and production optimization of MIL-88B(Fe)-NH2, with particular emphasis on synthesis parameters, crystallinity, and material purity. Different synthesis times (ranging from 6 to 24 hours) were evaluated to determine their effect on the final properties of the material on a laboratory scale.

    The results showed that the MOF can be reproducibly synthesized at a large scale while maintaining its structural and functional characteristics. Scale-up to kilogram-level production was successfully achieved, reaching approximately 1 kg per batch. The process exhibited a space-time yield (STY) of 125.5 kg·m-3·day-1, demonstrating its potential for industrial implementation.

    Mechanical stability studies were also conducted to assess the robustness of the pelletized material. These experiments revealed that relative humidity plays a crucial role in pellet cohesion and mechanical resistance, influencing both handling and performance in continuous systems.

    Finally, the scaled MOF was evaluated in pilot-scale adsorption columns under real operating conditions. The material demonstrated complete chlorite removal and significant chlorate removal (around 60%) at relatively short contact times, while exhibiting negligible degradation (below 0.01%). These results confirm the strong potential of this material for advanced drinking water treatment applications.

    Overall, the general conclusion from this work demonstrates that surfactant-modified activated carbons represent a practical and scalable solution for the removal of chlorite and chlorate in purified water, with clear potential for implementation, Technology Readiness Levels (TRL) of 5-6. In parallel, MIL-88B(Fe)-NH2 offers a promising alternative due to its tunable properties and rapid adsorption kinetics, although further development is required for full-scale application. This research contributes to the advancement of efficient and sustainable water treatment technologies, addressing emerging challenges in drinking water quality and public health protection.

    The doctoral research was carried out at the interface between academia and industry, promoting effective knowledge exchange between both sectors. Fundamental research activities were conducted at IMDEA Energy Institute, while the industrial development phase was undertaken by Canal de Isabel II S.A., M.P., (Madrid), a company specializing in integrated water management. The project received funding from the Community of Madrid under the industrial PhD programme (IND2019/AMB-17129).