Tratamiento de efluentes hospitalarios mediante fotocatálisis heterogénea y luz visible

Abstract

La escasez de agua es un problema que aqueja y concierne a la humanidad, la contaminación de los cuerpos de agua superficiales y subterráneos donde se obtiene este vital líquido para actividades antropogénicas son afectados por la descarga de aguas residuales provenientes de los distintos sectores productivos, de servicio y uso doméstico, estos efluentes tienen un impacto directo en el ecosistema y bienestar de los organismos que viven en él, incluyendo el hombre. Las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) convencionales son una alternativa, no obstante, se ha puesto en duda su efectividad por la permanencia de moléculas orgánicas en concentraciones de micro- y/o nanogramos por litro con efectos tóxicos en el efluente. Los efluentes hospitalarios contienen entre sus componentes fármacos y hormonas sintéticas y/o naturales con estructuras orgánicas complejas resistentes a las PTAR convencionales con efectos nocivos en organismos vivos al estar en contacto de manera crónica. El uso de tratamientos terciarios que no solo remuevan los compuestos peligrosos a una matriz sólida si no que eliminen o desactiven estas moléculas ha dado como resultado el desarrollo de los procesos de oxidación avanzada (POAs), los cuales generan radicales libres con la capacidad de degradar moléculas orgánicas recalcitrantes. La fotocatálisis heterogénea es un POA que usa portadores de cargas foto-generadas (hueco y electrón) producidos por el TiO2 al utilizar luz que corresponde al ancho de banda prohibido, difundiendo a la superficie para reaccionar con moléculas de agua adsorbidas, formando radicales hidroxilo (•OH). Los huecos foto-generados y los radicales hidroxilo oxidan moléculas orgánicas que se encuentran cerca de la superficie del TiO2. Mientras los electrones que se encuentran en la banda de conducción participan en los procesos de reducción, reaccionando normalmente con moléculas de oxígeno presentes en el aire para producir aniones superóxido (O2•-). Es posible utilizar la luz solar que llega a la superficie, sin embargo su aprovechamiento es poco (≈5%). En el laboratorio de química organometálica y materiales (LQOM) de la UAA se han hecho modificaciones en el catalizador como dopaje de iones Fe3+ insertados en la estructura cristalina de anatasa para aumentar la foto-actividad en luz visible y arreglo nano-métrico para incrementar el área superficial, dando como resultado una mejora importante en el rendimiento del catalizador. 16 El uso de un método de síntesis como el sol-gel utilizando reactivos amigables con el medio ambiente genera mayor expectativa sobre este tratamiento terciario. El TiO2-Fe3+ es sintetizado en forma de nano-polvos y al ser utilizado en un sistema de tratamiento de agua a gran escala es casi imposible recuperarlo, lo que conlleva a la descarga en el efluente como contaminante secundario y aumento de costos en el proceso. En este estudio se llevó a cabo la inmovilización del catalizador en distintos materiales para su reúso e implementación en un reactor. Se recubrió la matriz sólida con una suspensión coloidal (sol) de TiO2 dopado con Fe3+ (TiO2-Fe3+), ya adherido a la superficie del material se dejó durante una noche reposando hasta formar un gel, se secó y sinterizó a 350°C. Se evaluó el catalizador inmovilizado y el reactor fotocatalítico degradando microcontaminantes presentes en efluentes hospitalarios como hormonas esteroideas y diclofenaco (DCF) en muestras de laboratorio y reales. El tratamiento de fotocatálisis heterogénea es una solución tecnológica muy atractiva al posibilitar el uso de energías limpias y costos de instalación económicos que hacen factible su incorporación al tren de tratamiento de las PTAR convencionales para la obtención de efluentes libres de microcontaminantes orgánicos tóxicos.

Water scarcity is a global issue that involves everybody, surface water and groundwater principal sources of anthropogenic water activities and supplies have been persistently polluted due to the wastewater discharge from the industry, services and domestic sectors, moreover these effluents have a direct impact in the environment, decreasing health of the organisms that live in the place of the discharge and around, including the human being. The use of conventional wastewater treatment plants (WWTP) was an alternative to this problem; the novel discovery of micro-pollutants with recalcitrant structure and harmful effects questioned the safety of the resulting effluent. Hospital effluents contain drugs, synthetic and natural hormones residues with complex organic structures resistant to conventional WWTP with harmful effects on living organisms in a chronic interaction. The application of tertiary treatments not only to remove the hazardous ingredients, also to degrade or deactivate these molecules has led to the development of advanced oxidation processes (AOPs) group of technologies that generate free radicals capable to degrade recalcitrant organic molecules. Heterogeneous photocatalysis is an AOP that use photogenerated charge carriers (hole and electron) produced by TiO2 upon the absorption of light corresponding to the band gap that diffuse to the surface and react with adsorbed water molecules, forming hydroxyl radicals (•OH). The photogenerated holes and the hydroxyl radicals oxidize nearby organic molecules on the TiO2 surface. Meanwhile, electrons in the conduction band typically participate in reduction processes, which react with molecular oxygen in the air to produce superoxide radical anions (O2•-). The TiO2 can be activated using solar energy that comes into the earth's surface but only take advantage of small amount of it (≈5%). Our research group has been interested in the implementation of synthetic pathways to produce metal-doped TiO2. In particular, Fe3+ doping, which can be easily inserted into the lattice of anatasa, which generate higher photo-activity under visible light. On the other hand, the nano-metric nature of the materials, enhance the superficial area, improving the catalyst performance. The implementation of Green synthetic pathways for the production of these materials has been explored. Higher expectation has created in this treatment with the sol-gel synthesis method that uses friendly environment reagents. 18 The TiO2-Fe3+ materials have been fabricated in the form of nano-structured powders, hence in a water treatment system is almost impossible to recover them, resulting in a discharge with the effluent after the process ends like a second contaminant and leads to a constant use of catalyst affecting cost of operation too. The immobilization of the aforementioned catalyst was evaluated, using different materials as supports. The solid matrix was coated with the colloidal suspension (Sol) of TiO2 doped with Fe3+ (TiO2-Fe3+), completing the process with overnight aging, drying and sintering at 350 °C the coated matrix. Supported materials were fabricated, characterized and evaluated for the degradation of micro-pollutants (eg., steroid hormones and DCF), using laboratory and real samples. The heterogeneous photocatalytic treatment is an attractive technology that makes possible clean energy application and low cost installations that make achievable the improvement of the conventional WWTP showing better performance for the degradation of emergent pollutants.