Estudio de las interacciones de tensioactivos en la superficie de TiO2 y su aplicación en adsolubilización y fotocatálisis de compuestos orgánicos

Abstract

Los contaminantes en el agua han acarreado enfermedades en personas y animales a lo largo de la historia. Hoy en día se pueden encontrar diversos tipos de contaminantes en el agua proveniente de la actividad humana. Hasta ahora se creía que los tratamientos actuales en las plantas depuradoras de agua eran capaces de eliminarlos o retenerlos. Recientemente se ha conocido la existencia de un grupo de contaminantes, denominados Contaminantes Emergentes (CEs), que son capaces de atravesar estos tratamientos sin eliminarse. Estos tienen su origen en diferentes ámbitos, generalmente en fármacos, pesticidas, alimentación y en productos utilizados para el cuidado personal. Debido a estar a concentraciones extremadamente bajas, han estado pasando desapercibidos. Son sustancias orgánicas parcialmente solubles en agua, y sus criterios de calidad ambiental aún no se han podido especificar [1,2]. Recientemente se ha incrementado la preocupación por las posibles consecuencias de su existencia, y se ha comenzado a controlar su presencia así como a estudiar sus posibles efectos negativos y medios de eliminación. Actualmente, en las plantas de tratamiento de aguas, no se están realizando tratamientos específicos para la eliminación de los CEs, aunque algunos procesos muestran cierta capacidad de retención, como en tratamientos terciarios con carbón activo [3], oxidación química [4] o filtración por membranas [5]. Por otra parte, el uso de nanomateriales en tratamientos de aguas se perfila como una vía prometedora de depuración [6]. La utilización de nanoadsorbentes, la nanofiltración y los procesos avanzados de oxidación para la eliminación de productos farmacéuticos y productos de cuidado personal están mostrando resultados muy esperanzadores [7]. Desde este trabajo se pretende aportar una nueva solución en el tratamiento de aguas residuales para la eliminación de CEs. Para ello se ha estudiado el fenómeno de la adsolubilización, que consiste en incorporar compuestos orgánicos en bicapas de tensioactivos adsorbidos sobre una superficie. Se han estudiado diferentes familias de tensioactivos para valorar la coordinación de los mismos con la superficie del adsorbente, su estabilidad, su capacidad de adsolubilización y su resistencia a la incidencia en tratamientos UV. La superficie que se ha utilizado para generar las bicapas de tensioactivo ha sido el TiO2-P25, un nanomaterial con propiedades fotocatalíticas y de gran superficie específica[8]. Combinando las técnicas de adsorción, adsolubilización y las propiedades fotocatalítica del TiO2-P25, se han conseguido resultados interesantes en la eliminación de compuestos orgánicos parcialmente solubles en agua. Estos podrían ser extrapolados a tratamientos terciarios en procesos de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de CEs. [1] M. Kaštelan-Macan, M. Ahel, A.J.M. Horvat, D. Jabučar, P. Jovančić, Water Policy 9 (2007) 319–343. [2] T. Eggen, M. Moeder, A. Arukwe, Sci. Total Environ. 408 (2010) 5147–5157. [3] S. Francisco de Aquino, E. Manfred Freire Brandt, C. Augusto de Lemos Chernicharo, (2013) 187–204. [4] J. Rivera-Utrilla, M. Sánchez-Polo, M.Á. Ferro-García, G. Prados-Joya, R. Ocampo-Pérez, Chemosphere 93 (2013) 1268–1287. [5] I. Muñoz, M.J. Gómez-Ramos, A. Agüera, A.R. Fernández-Alba, J.F. García-Reyes, A. Molina-Díaz, TrAC - Trends Anal. Chem. 28 (2009) 676–694. [6] A. Cincinelli, T. Martellini, E. Coppini, D. Fibbi, A. Katsoyiannis, J. Nanosci. Nanotechnol. 15 (2015) 3333–3347. [7] H. Lu, J. Wang, M. Stoller, T. Wang, Y. Bao, H. Hao, Adv. Mater. Sci. Eng. 2016 (2016) 1–10. [8] D.C. Hurum, A.G. Agrios, K.A. Gray, T. Rajh, M.C. Thurnauer, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 4545–4549.

Water pollutants have caused diseases in animals and people throughout history. Nowadays, various types of pollutants caused by human activity can be found in wastewater. Until now, it was believed current wastewater treatments were able to eliminate or retain all the pollutants. However, new types of contaminants, called emerging pollutants (EP), are able to pass through current water treatments without being confined or disposed. EP come mainly from drugs, pesticides, food and personal care products. Due to their extremely low concentrations, they have been unnoticed for years. They are organic partially water-soluble substances, and usually their environmental quality criteria has not yet been specified [1, 2]. Recently, concern about possible consequences of EP existence has increased, their presence has begun to be controlled and their possible negative effects and means of elimination started to be studied. At present, in wastewater treatment plants, there are no specific treatments to eliminate EP. Nevertheless, some current treatments show some ability to retain EP, as for example tertiary treatments with active carbon [3], chemical oxidation [4] or membrane filtration [5]. Moreover, the use of nanomaterials in wastewater treatments are emerging as a promising technique of depuration [6]. The use of nanoadsorbents, nanofiltration and advance oxidation processes to degrade pharmaceuticals and personal care products are showing very promising results [7]. The following study presents a new technique to improve the elimination of EP in wastewater treatments, based on the combination of adsolubilization and photocatalysis. It consists in incorporate organic compounds in surfactant bilayers, previously adsorbed on a polar surface, in order to be photocatalized later. Different families of surfactants have been studied in order to evaluate their coordination on the adsorbent surface, stability, adsolubilization ability and tolerance against UV treatments. The surface to generate the surfactant bilayer has been TiO2-P25, a nanomaterial with photocatalitic properties and high specific area [8]. Combining adsolubilization and photocatalitic properties of TiO2-P25 has provided promising results in removing partially water-soluble organic compounds as diclofenac, malachite green and 2-naphthol. This technique could be extrapolated to tertiary wastewater treatments in order to improve the elimination of EP. [1] M. Kaštelan-Macan, M. Ahel, A.J.M. Horvat, D. Jabučar, P. Jovančić, Water Policy 9 (2007) 319–343. [2] T. Eggen, M. Moeder, A. Arukwe, Sci. Total Environ. 408 (2010) 5147–5157. [3] S. Francisco de Aquino, E. Manfred Freire Brandt, C. Augusto de Lemos Chernicharo, (2013) 187–204. [4] J. Rivera-Utrilla, M. Sánchez-Polo, M.Á. Ferro-García, G. Prados-Joya, R. Ocampo-Pérez, Chemosphere 93 (2013) 1268–1287. [5] I. Muñoz, M.J. Gómez-Ramos, A. Agüera, A.R. Fernández-Alba, J.F. García-Reyes, A. Molina-Díaz, TrAC - Trends Anal. Chem. 28 (2009) 676–694. [6] A. Cincinelli, T. Martellini, E. Coppini, D. Fibbi, A. Katsoyiannis, J. Nanosci. Nanotechnol. 15 (2015) 3333–3347. [7] H. Lu, J. Wang, M. Stoller, T. Wang, Y. Bao, H. Hao, Adv. Mater. Sci. Eng. 2016 (2016) 1–10. [8] D.C. Hurum, A.G. Agrios, K.A. Gray, T. Rajh, M.C. Thurnauer, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 4545–4549.