Preparación y evaluación de hidrotalcitas como soportes de Fe y Mn, para la remoción del contaminante emergente amoxicilina mediante la técnica tipo Fenton

La detección en las últimas décadas de los denominados contaminantes emergentes (CE) en todos los lugares del mundo se ha convertido en un problema ambiental (Poynton y Robinson, 2018; Farré et al., 2008). Estos compuestos son utilizados en productos de uso diario, como productos de cuidado personal, plastificantes, productos farmacéuticos, pesticidas, surfactantes, etc., los cuales son dispuestos como desechos sólidos o en solución en recursos hídricos, por ejemplo, por eliminación directa después del baño o por excreción en orina y eses después de una medicación. A pesar de su reconocimiento como contaminantes, y en muchos casos como peligrosos, no se están desarrollando tecnologías nuevas que remplacen a estos productos a corto plazo (Wilkinson et al., 2017), o tecnologías que traten estos compuestos y sean degradados correctamente; aún más en países como Colombia, no existen leyes que puedan ayudar a controlar esta contaminación. Los CE tienen propiedades químicas diversas y están presentes en matrices complejas a muy bajas concentraciones, y a pesar de conocer sus propiedades, es difícil para muchos compuestos evaluar si entrarán en la fase sólida o permanecerán en la fase acuosa, siendo este comportamiento lo que actualmente ha dificultado su tratamiento. Entre todos los CE, los antibióticos son de gran preocupación debido a su papel en la generación de bacterias resistentes a concentraciones muy bajas de estos compuestos ubicuos (Nazaret y Aminov, 2014). Este efecto se presenta porque a concentraciones bajas de antibióticos este no puede matar a las bacterias, pero las bacterias pueden entrar en una reacción mutagénica obligándolos a desarrollar genes para protegerse contra los antibióticos, además pueden propagar estos genes a través de otras cepas bacterianas (Rizzo et al., 2013; Camargo et al., 2014). Debido a este problema de salud que se puede generar, en el grupo de investigación en Fitoquímica de la PUJ consideramos a los CE como un problema de hoy, y proveemos que en los próximos años el medio ambiente tendrá una gran variedad de bacterias resistentes a antibióticos, sin tratamiento clínicos efectivos, con graves problemas para la salud de los humanos, los animales y efectos ecológicos en el medio ambiente. Según la predicción del Banco Mundial, estas bacterias resistentes podrían matar a 10 millones de personas por año para 2050 e influir a que 28 millones de personas entren en pobreza extrema (Bloom et al., 2017, Taheran et al., 2018). La contingencia del COVID-19 ha resaltado la importancia de tener un acceso al agua limpia “la higiene de manos salva vidas”. En este sentido, necesitamos un acceso al agua potable y saneamiento efectivo, como lo menciona el objetivos de desarrollo sostenible 6 “Garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el saneamiento para todos”, de tal manera que formulamos esta propuesta de investigación, para establecer o no la presencia de contaminantes emergentes peligrosos en aguas servidas y potables de nuestro entorno, para alertar del riesgo a nuestro habita y a la vida; así como la de generar métodos de eliminación de estos contaminantes peligrosos, que conlleven a un mejor futuro socio-ambiental. La mayoría de las tecnologías propuestas hasta el momento para la remoción de estos compuestos tienen grandes desventajas, como lo es la generación de compuestos más tóxicos que la molécula inicial tratada (Klavarioti, Mantzavinos, & Kassinos, 2009), una sola técnica de remoción no es igual de eficiente para la diversidad de contaminantes emergentes (Hamza, Iorhemen, & Tay, 2016) y no se logra la remoción en un 100% de ellos (Mirzaei, Chen, Haghighat, & Yerushalmi, 2017), para alcanzarlo se requieren condiciones extremas, generando altos costos y teniendo como consecuencia una baja viabilidad económica y técnica para implementar estos tratamientos a escala real. Recientemente se han propuesto técnicas conocidas como los procesos de oxidación avanzada, los cuales se basan en la actividad de diferentes especies químicas oxidantes, capaces de degradar contaminantes complejos, recalcitrantes, tóxicos y no conducen a subproductos más tóxicos. Entre estos procesos de oxidación se encuentran: fotocatálisis heterogénea y homogénea, electrolisis, ozonización, Fenton, ultrasonido y oxidación por vía húmeda entre otras. El proceso Fenton ha empezado a llamar la atención, debido a las condiciones moderadas que se emplean para llevar a cabo las reacciones, los bajos costos, la fácil operación, además de ser una técnica amigable con el medio ambiente porque no genera subproductos tóxicos. Los procesos Fenton incluyen reacciones de peróxidos, el más común es el peróxido de hidrogeno (H2O2) con iones de hierro para formar especies activas de oxígeno las cuales oxidan los compuestos orgánicos e inorgánicos (Babuponnusami & Muthukumar, 2014). Lo interesante de la reacción Fenton es que no se requieren equipos sofisticados y que los reactivos que se emplean, como el peróxido de hidrogeno, no representa una amenaza ambiental debido a que este se descompone totalmente en el agua (Muñoz, de Pedro, Casas, & Rodriguez, 2015), los productos finales de la oxidación son normalmente CO2 y agua, haciéndolo una técnica promisoria y viable económicamente. Con el fin de potencializar la eficiencia de los procesos tipo Fenton, se requieren catalizadores con altas dispersiones metálicas, estabilidad de estos mismos y alta selectividad en procesos de oxidación. Actualmente, se han investigado diversos catalizadores que puedan cumplir con esas tres características y en éste proyecto se quieren resaltar las hidrotalcitas, también conocidos como arcillas aniónicas, como una familia de materiales laminares sintéticos capaces de oxidar contaminantes emergentes en aguas residuales. Su estructura está conformada por láminas de octaedros tipo M(OH)6 con empaquetamiento hexagonal compacto, similar al de la brucita (Mg(OH)6) y análoga a la de la hidrotalcita natural Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O (Centi & Perathoner, 2008; Obalová et al., 2007). El uso específico de este tipo de materiales está determinado por el tipo de cationes que componen las láminas y por los aniones interlaminares. Así, los hidróxidos de doble capa se han empleado como materiales precursores para la síntesis de óxidos nanoparticulados y óxidos metálicos mixtos, presentando efectos sinérgicos entre los elementos constituyentes y carácter básico fuerte. En el caso de hidróxidos de doble capa que contienen metales nobles o de transición, algunos métodos específicos de activación pueden generar materiales con nanoclústeres altamente dispersos, lo cual es particularmente importante en catálisis. En este último aspecto, el interés en este tipo de sólidos se incrementa debido al control de la cristalinidad y la textura, así como la manipulación de las propiedades acido-base y rédox que se pueden generar con los métodos de síntesis y el método de activación del sólido (Centi & Perathoner, 2008). Los reportes más antiguos donde utilizaron estos compuestos como catalizadores son después de los años 80, donde se empezaron a estudiar fuertemente por la versatilidad y naturaleza de estos compuestos (Sikander, Sufian, & Salam, 2017). Las hidrotalcitas se han reportado para la remoción de compuestos perfluorados, (Chang, Jiang, & Li, 2019), compuestos orgánicos volátiles (Li, Cheng, Xing, Li, & Hao, 2019), remoción de uranio de soluciones acuosas (Li et al., 2019) entre otros contaminantes. Teniendo en cuenta lo nombrado anteriormente, este proyecto plantea evaluar las hidrotalcitas como catalizadores, eficientes y de bajo costo, y que contribuyan a la mejora del proceso de oxidación tipo Fenton aplicado a la oxidación del contaminante emergente amoxicilina. Para garantizar la eficacia de la tecnología a desarrollar, se realizará el seguimiento de la oxidación de la amoxicilina como contaminante emergente por medio de un cromatógrafo liquido acoplado a un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo (UPLC-TQ/MS), el cual se considera, como uno de los más eficientes para el seguimiento de este tipo de reacciones. Adicionalmente, junto a la técnica UHPLC-MS/TQ, se estimará la demanda química de oxigeno (DQO) y el carbono orgánico total (TOC), pruebas que determinará la eficacia del proceso para la remoción de la amoxicilina, tanto en agua sintética como aguas reales contaminadas (hospitalaria y PTAR). Como valor agregado, el uso de materiales tipo hidrotalcitas como catalizadores y/o soportes de oxidación, generará conocimiento en el campo de la remoción de contaminantes tipo emergentes como los antibióticos. Adicionalmente, la gran versatilidad en sus propiedades químicas y la viabilidad en su modificación, permite pensar en que se obtendrán materiales innovadores, viables técnicamente, amigables con el medio ambiente y que puedan generar un gran aporte a la química verde. En medio de este escenario, la contratación del Doctor Juan carlos Cortes mediante una posición postdoctoral, gracias a su conocimiento en la síntesis de materiales laminares, la experiencia en el montaje de metodologías por medio de técnicas de cromatografía líquida y su gran experiencia en la redacción de documentos de divulgación tipo artículo, aportará al desarrollo exitoso de la tesis doctoral de la estudiante Diana Lorena Lugo, denominada: “Evaluación de estructuras laminares modificadas tipo arcilla e hidrotalcita como catalizadores para la remoción de contaminantes emergentes utilizando un proceso tipo fenton” y a los proyectos que están vigentes y futuros en este campo tan importante como lo es el tratamiento de aguas residuales con emergentes.