Desarrollo de un sistema integrado para la potabilización de aguas contaminadas con oxoaniones (NO3- y BrO3-) : Remoción empleando nanomateriales y eliminación mediante catalizadores estructurados - Peroni, María Belén (2025)
En años recientes, numerosos organismos han expresado su preocupación ante el incremento en las concentraciones de determinados contaminantes en los reservorios de agua dulce, que no pueden ser removidos mediante los tratamientos convencionales de potabilización. Estos compuestos afectan considerablemente la salud de la población y el equilibrio natural de los ecosistemas. Uno de los problemas más alarmantes es la elevada concentración de NO3‐ que se encuentra en las napas subterráneas, como consecuencia del uso excesivo de fertilizantes en zonas rurales. La ingesta excesiva de NO3‐ es perjudicial para la salud, ya que se reduce fácilmente a NO2‐ en la boca y los intestinos, causando una deficiencia de oxígeno en la sangre de los niños y niñas lactantes (síndrome del bebé azul). Además, los NO2‐ son precursores de las nitrosaminas, las cuales han demostrado ser cancerígenas. A lo largo de los años, se han desarrollado distintas tecnologías para la eliminación de este tipo de contaminantes, tales como ósmosis inversa, intercambio iónico, adsorción, entre otras. Sin embargo, estas técnicas, concentran los iones, pero no los eliminan en forma permanente. Desde el punto de vista ambiental, la mejor opción para la eliminación de NO3‐ es aquella que los convierte en productos inocuos. En este sentido, uno de los procesos más prometedores es la reducción de NO3‐ a N2 mediante el uso de catalizadores heterogéneos, en presencia de H2 como agente reductor. Esta tecnología también puede utilizarse para la eliminación de BrO3‐, que resultan cancerígenos en concentraciones mayores a 0.01 ppm. En este caso, los BrO3‐ son transformados en Br‐, que no constituyen un problema ambiental. No obstante, una desventaja de estos sistemas es que la sobrerreducción podría resultar en productos indeseados, como en el caso de NO3‐ a NH4+. En general, los catalizadores se conforman de una fase activa dispuesta sobre un material soporte (Al2O3, SiO2, ZrO2, CeO2), que la dispersa y le confiere mayor estabilidad. Para este tipo de reacciones se requiere de catalizadores bimetálicos, cuya fase activa está compuesta por un metal noble como base (Pd, Rh, Ru o Pt), y un metal promotor (Cu, Ag, Fe, Hg, Ni, Cu, Zn, Sn o In). En investigaciones similares, se reportó que las combinaciones PdCu y RhCu resultaron ser las más activas y selectivas para las reacciones mencionadas. Sin embargo, el uso de una formulación catalítica en polvo, suspendido en un reactor tipo Slurry, no es técnicamente viable. El arrastre de las partículas ocasionaría la eventual pérdida del catalizador (cuya recuperación es dificultosa), así como la contaminación del agua tratada con estos metales. Una forma de evitarlo es utilizar una estructura, como pellets o monolitos, que sostengan el material catalítico. Estos sistemas han sido utilizados ampliamente en aplicaciones ambientales e industriales. Por otro lado, el diseño de reactores para procesar elevados volúmenes de agua, requeriría extensas unidades de tratamiento y altos costos operativos (energía, insumos, etc). Por ello, surge la necesidad de incorporar una etapa previa, donde los aniones sean adsorbidos en una columna rellena, y luego desorbidos y concentrados, para ser eliminados catalíticamente. En esta tesis se investigó la adsorción de estos aniones en materiales económicos, abundantes y de gran disponibilidad en nuestro país. En este sentido, se trabajó con arcillas, tierra de diatomeas y carbón activado, entre otros. Las arcillas poseen la capacidad de aceptar diversos grupos funcionales (por ejemplo, mediante reacciones de intercambio catiónico, pilarización, etc.) y de modificar sus características, acrecentando sus aplicaciones como potentes adsorbentes de NO3‐ y BrO3‐. En cuanto al carbón activado y las diatomitas, son sólidos altamente porosos y con buena estabilidad térmica y química. En particular, el carbón activado puede ser obtenido a partir de desechos orgánicos como restos de poda, cáscaras de nuez o arroz, carozos de aceitunas, etc. Esto lo convierte en una opción económica y sostenible, ya que involucra la revalorización de un residuo. Otra ventaja del carbón activado, es la posibilidad de que sea regenerado y reutilizado, evitando los perjuicios económicos y ambientales de su disposición final. Para esta investigación se utilizaron carbones activados generados a partir de cáscaras de maní y restos de yerba, y se compararon los resultados con aquellos obtenidos con carbón activado comercial. Con el objetivo de aumentar su capacidad de adsorción de NO3‐ y BrO3‐, estos adsorbentes fueron modificados con dos surfactantes: hexadeciltrimetilamonio (HDTMA) y oxadeciltrimetilamonio (ODTMA). Por lo expuesto anteriormente, la tesis plantea el diseño de un sistema continuo, integrado por dos etapas: la primera consta de una columna de adsorción y la segunda, de un reactor de lecho fijo que contenga los catalizadores estructurados. Las propiedades físicas y químicas de los catalizadores y adsorbentes fueron determinadas mediante diversas técnicas de caracterización. También, se analizó la evolución de las reacciones químicas comparando distintos soportes, fases activas, proporción de metales que componen el catalizador y métodos de síntesis, entre otros. En cuanto a los adsorbentes, se analizaron las diferencias entre los materiales, el tipo y cantidad de surfactante. La evaluación catalítica y la adsorción se llevaron a cabo inicialmente utilizando agua desionizada, conteniendo únicamente NO3‐, NO2‐ o BrO3‐. Posteriormente, las experiencias se realizaron empleando muestras de agua real extraída de pozo y de un arroyo cercano. A partir de los adsorbentes y catalizadores que arrojaron mejores resultados, se diseñó un sistema semi‐continuo, abordando en profundidad el análisis de los catalizadores estructurados y distintas condiciones de operación. Por último, se presentan las conclusiones generales y las perspectivas surgidas a partir de esta investigación.