Depuración de aguas residuales que contienen colorantes mediante un sistema integrado de adsorción utilizando borra de café y oxidación catalítica con óxidos mixtos de Ce-Mn-Cu

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Uno de los principales problemas son las aguas de uso en Laboratorios de docencia e investigación, que se caracterizan por contener grandes cantidades de contaminantes como compuestos químicos orgánicos e inorgaánicos, microorganismos patógenos y no patógenos, entre otros. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS): “el recurso hídrico se encuentra contaminado cuando su composición se haya alterado de manera que no reúna las condiciones necesarias para ser utilizada de manera benéfica en el consumo del hombre y de los animales”(OMS. 1995). Según los lineamientos normativos en temas ambientales, de las diferentes sustancias en aguas residuales, los colorantes son catalogados como contaminantes de alto impacto debido a su toxicidad, peligrosidad y causante de enfermedades entre estás el cáncer (Jorge Marcos Rosa et al., 2019), por ello han sido motivo de estudio por diversas técnicas de remoción buscando innovación e implementación de nuevos métodos eficientes, económicos para su degradación. Dentro de la definición general se encuentra que los colorantes son compuestos orgánicos que confieren un color permanente que al aplicarlos en disoluciones o emulsiones sobre un sustrato con cierta afinidad para absorberlo siendo solubles en el medio que se aplican o productos finales; en donde su producción aproximada se encuentra alrededor de 90 millones de Kg a nivel mundial . En cuanto a las características el color particular del compuesto orgánico es función de su estructura, siendo consecuencia de la acción conjunta del grupo cromóforo, el cual tiene un grupo funcional como -C=C-, -N=N- y anillos aromáticos con bastantes electrones en orbitales η y/o π que dan origen al color que se observa y el grupo auxocromo, encargado de la fijación del compuesto al material donde quiere ser adherido y otorgando la intensidad del color por el desplazamiento a mayores o menores ondas de longitud (Nguyen, T. A. et al., 2013) . La bioadsorción, a través del uso de residuos agroindustriales, ha demostrado ser una alternativa bien interesante para el tratamiento de aguas con diversos colorantes, es una tecnología limpia, eficiente y económica para procesos de remediación ambiental (Abdeljabbar Belbel, et al., 2018); en pruebas preliminares sobre el proceso de adsorción de colorantes por residuos de café, que se han desarrollado en la línea de investigación Tecnología Ambiental y de Materiales (ITAM) del Departamento de Química de la PUJ, se ha establecido que la borra de café presenta un alto potencial en la remoción de colorantes, logrando porcentajes del 90% con una cinética de bioadsorción ajustada al modelo de segundo orden (resultados que están en desarrollo en dos trabajos de pregrado), sin embargo, cuando se quiere recuperar el sólido para procesos de regeneración ha sido muy difícil la recuperación del café debido a su forma en polvo y la facilidad de éste en quedar en suspensión. Debido a este problema, la línea de investigación ITAM en aras de buscar alternativas para disminuir la carga contaminante, plantea desarrollar una propuesta diferenciadora la cual consiste en proponer un sistema de adsorción, con la utilización de borra de café encapsulado en esferas de alginato de sodio para evaluar la efectividad de la remoción de los colorantes presentes en residuos de laboratorios de docencia-investigación en universidades. Actualmente no existe un solo método económicamente viable para tratar esta clase de efluentes. Los procesos biológicos convencionales no han probado ser suficientemente eficaces porque muchos de los compuestos son biológicamente no degradables (Raman, C. D. et al., 2016). La coagulación química y la osmosis inversa proporcionan grandes remociones de contaminantes, pero la primera produce grandes cantidades de lodos tóxicos mientras que la última envuelve elevados costos de capital [Ye, Z., et al., 2018). Alternativas sugeridas a los métodos tradicionales incluyen Procesos Avanzados de Oxidación, particularmente el conocido como Fenton. Este consiste en una mezcla de catalizador (Fe2+) y H2O2, que producen las especies altamente reactivas que son conocidos como radical hidroxilo (*OH). Estos radicales oxidan una vasta gama de poluentes orgánicos muy rápidamente y de forma no selectiva (Ramírez, J.H., et al., 2018). Sin embargo, el uso de hierro, presenta diversos inconvenientes, entre ellos la formación de lodos de hierro y la operación a valores de pH muy bajos. Por este motivo se debe buscar catalizadores que contengan otra fase activa (Cu y/o Mn) soportada en matrices sólidas, como es el caso de las arcillas, carbones activados, óxidos mixtos, entre otros (Resolución 631 de 2015), que permitan trabajar en pH más neutros y no fomenten la formación de lodos. Dentro de los procesos de preparación de óxidos mixtos, la autocombustión ha mostrado un gran acogimiento por su eficiencia debido a la obtención de estructuras cristalinas bien consolidadas, áreas superficiales elevadas, buena dispersión en las fases activas y tiempos cortos de obtención. Condiciones propicias para que los sólidos obtenidos por esta técnica sean promisorios en procesos de oxidación para la degradación de colorantes en aguas residuales (María Haidy Castaño, 2015). La optimización y control de los parámetros involucrados en éstos últimos sistemas y sus posteriores etapas de escalamiento forman parte de trabajos que se llevan actualmente por muchos grupos de investigación, entre los que se encuentra la línea de investigación ITAM de la Pontificia Universidad Javeriana la cual ha venido desarrollando la síntesis de sólidos para la degradación de colorantes como cristal violeta y azul de metileno, colorantes que se caracterizan por ser altamente tóxicos, recalcitrantes y cancerígenos en pequeñas concentraciones, obteniéndose excelentes resultados en su degradación en tiempos cortos de reacción a condiciones moderadas de tratamiento (Riaño Paula- Tesis de Pregrado, 2017). Por otro lado, diferentes autores han mostrado que estos procesos avanzados deben estar integrados con otro tipo de procesos para que sean completamente eficientes, por tal motivo, se propone evaluar el proceso tipo-Fenton heterogéneo y la integración con un proceso físico-químico de adsorción para el cual se plantea el uso borra de café encapsulada. En el contexto descrito, el presente proyecto busca abordar y desarrollar tres grandes intereses: i) la encapsulación de residuos tipo borra de café para ser utilizada como materiales adsorbentes de contaminantes tipo colorantes; ii) la descontaminación de aguas residuales de moléculas no biodegradables a partir de la mineralización completa de colorantes provenientes de residuos de laboratorio empleando no solo un proceso económico, de fácil acceso e implementación como lo es el oxidación catalítica con peróxido de hidrógeno (CWPO) en fase heterogénea y iii) la evaluación de un proceso integrado heterogéneo que incluye borra de café encapsulado en alginato y un catalizador de óxidos mixtos. Dicho proceso no solamente se hará a nivel laboratorio, si no que se llevará a una escala semipiloto con el fin de logar degradar colorantes empleados en la Tinción de Gram y otros fines, beneficiando de esta manera muchos laboratorios, universidades y empresas que se dedican a los análisis en laboratorio a cumplir con la normatividad vigente.