Adsorption of organic and emerging pollutants on carbon materials in aqueous media : environmental implications

Abstract

In the last two decades an increasing presence of organic substances such drugs, pesticides, etc. has been detected in water which may affect the health of the organisms and the environment. Some of these contaminants remain in the water after the usual treatment in sewage plants. This fact makes evident the need of introduction of the tertiary treatments that allow the complete elimination of these substances. This Doctoral Thesis researches for the elimination of different organic and emerging compounds present in water by means of the adsorption with new activated carbons. In particular, new carbon materials from different wastes, coal, synthetic materials, which have been produced and characterized, allow the adsorption of the organic compounds widely used in society. Different characteristics of the adsorbents (chemical composition, functional groups, texture, etc.) and of adsorbates (dimensions, hydrophobicity, pKa, functional groups, etc.) that influence on the adsorption process have been studied. Moreover, in this work, an analysis and kinetic model have been proposed. The analytic model allow, by chemometrics, enhancing the quantification of two or more organic compounds in solution by spectroscopy UV-vis. The kinetic model proposed provides a better comprehension and interpretation, as a better prediction of the different parameters on the adsorption process. In this sense, the following Thesis presents five works which have allowed a better comprehension of the adsorption process by means carbon materials from different origin. The first work, “highly microporous activated carbons from biocollagenic wastes as adsorbents or aromatic pollutants in water originating from industrial activities”, about the texture and chemical composition of activated carbon from biocollagenic wastes which have been studied in order to observe how these parameters affect on the adsorption of aromatic monosubstitued compounds. Moreover, different variables as temperature and activating agent are studied in the process of manufacture activated carbons. The second work, “Removal of pharmaceutical and Iodinated Contrast Media (ICM) compounds on carbon xerogels and activated carbons. NOM and textural properties influences”, shows the important role of pore size distribution in activated carbon which plays on the adsorption of different pharmaceuticals (salicylic acid, paracetamol, diclifenac, etc.) and iodinated contrast media (iohexol, iodixanol, iomeprol, etc) of different size. The influence of natural organic matter (NOM) in water is also studied in the adsorption of the all pollutants. The adsorption of paracetamol, phenol and salicylicacid in different coal-based activated carbon is showed in the contain of the work “Removal of pharmaceutical pollutants in water using coal-based activated carbons”. In this work, the chemical characteristics on the surface of activated carbons are studied in order to observe the influence in the adsorption of different organic compounds; and also the influence of the pH water. The results showed an increase of adsorption of salicylates due to the presence of sulphur on the surface of the adsorbent. The fourth work; “Multicomponent adsorption on coal-based activated carbons on aqueous media: new cross-correlation analysis method”, as a continuation of the previous work, shows a new chemometric technique that allows to analysis the binary and ternary solutions correctly by UV-vis spectroscopy. Moreover, the competitive effect between two or three molecules is studied on the adsorption process. In the last work, “Role of activated carbon properties in atrazine and paracetamol adsorption equilibrium and kinetics”, a new kinetic model is proposed for the adsorption of paracetamol and atrazine using activated carbon from sewage sludge and two, commercial, activated carbons.

En les darreres dues dècades s’ha detectat un increment de la presència de substàncies orgàniques com els fàrmacs, els pesticides,... en l’aigua que poden afectar la salut dels éssers vius i del medi ambient. Algun d'aquests contaminants romanen en les aigües després d’haver passat pels tractaments habituals en les plantes depuradores de tractament. Aquest fet fa evident la necessitat de la implantació de tractament terciaris que permetin la seva completa eliminació. La present Tesi doctoral estudia l’eliminació de diferents compostos orgànics i emergents presents en aigua mitjançant la tecnologia d’adsorció amb nous carbons activats. Concretament, s'han produït i caracteritzat nous materials carbonosos procedents de residus, carbó mineral, materials sintètics, ... que permeten adsorbir diferents compostos orgànics d'ampli us en la nostra societat. S'han estudiat les característiques dels adsorbents (composició química, grups funcionals, porositat) i dels adsorbats (dimensions, hidrofobicitat, pKa, grups funcionals...) que influeixen en el procés d’adsorció. A més a més, en aquest treball, s'han proposat dos nous models, un d'anàlisi i un altre cinètic. El model analític permet, mitjançant la quimiometria, millorar la quantificació de dos o més compostos orgànics presents en una mescla per espectroscòpia UV-vis. El model cinètic proposat proporciona una millor comprensió i interpretació, així com una millor predicció dels diferents paràmetres del procés d'adsorció. En aquest sentit, en la següent Tesi es presenten cinc treballs que han permès una millor comprensió del procés d’adsorció mitjançant materials carbonosos de diferents procedències. En el primer treball, “Highly microporous activated carbons from biocollagenic wastes as adsorbents or aromatic pollutants in water originating from industrial activities”, s'ha estudiat com afecta la textura i la composició química de carbons activats procedents de residus de pells en l'adsorció de compostos aromàtics monosubtituits. A més a més s’estudia com afecten diferents variables com temperatura i agent activant en el procés de fabricació dels carbons activats. El segon treball, “Removal of pharmaceutical and Iodinated Contrast Media (ICM) compounds on carbon xerogels and activated carbons. NOM and textural properties influences”, posa de manifest el rellevant paper que juga la distribució de porus d’un carbó activat en l’adsorció de diferents fàrmacs (àcid salicílic, paracetamol, diclofenac, ...) i agents de contrast (iohexol, iodixanol, iomeprol,...) de diferent mida. També, s’ha estudiat la influència de la matèria orgànica present en l’aigua en l’adsorció de tots els contaminants. L’estudi de l’adsorció de paracetamol, fenol i àcid salicílic en diferents carbons activats procedents de carbó mineral es reflexa en el treball “Removal of pharmaceutical pollutants im water using coal-based activated carbons”. En aquest treball s'estudia la influència de les característiques químiques de la superfície dels carbons activats en l’adsorció dels diferents compostos orgànics, així com la influència del pH de les aigües. Els resultats van mostrar un augment de l’adsorció de salicilats degut a la presència de sofre en l'adsorbent. El quart treball, “Multicomponent adsorption on coal-based activated carbons on aqueous media: new cross-correlation analysis method”, és una continuació del treball anterior. En aquest cas, es presenta un nova tècnica quimiomètrica que permet analitzar correctament mescles binàries i ternàries per espectroscòpia UV-vis. A més s’estudia l’efecte competitiu entre dues o tres molècules en el procés d'adsorció. El cinquè i últim treball, "Role of activated carbon properties in atrazine and paracetamol adsorption equilibrium and kinetics", planteja un nou model cinètic per a l’adsorció de paracetamol i atrazina mitjançant carbó activat procedent de fangs de depuradora i dos carbons comercials.