Estudio de la adsorción-degradación desde solución acuosa de cafeína y diclofenaco sódico sobre materiales funcionalizados a partir de biocarbonizados de bagazo de fique
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Resumen en español
En esta investigación se estudiaron biocarbonizados, con y sin modificaciones, obtenidos a partir de bagazo de fique, un residuo agroindustrial el cual es un contaminante de suelos y aguas, razón por la cual se buscan alternativas para el uso funcional de esta biomasa. Por otra parte, los biocarbonizados son materiales con una comprobada capacidad para eliminar una diversidad de moléculas presentes en diferentes medios, lo cual los convierte en una alternativa potencial para la remoción de contaminantes. Siendo así, se evaluó su capacidad para adsorber los contaminantes emergentes diclofenaco sódico (DCF) y cafeína (CFN) desde solución acuosa. Posterior a la adsorción, estos sólidos fueron sometidos a procesos mecanoquímicos con el ánimo de evaluar la degradación de las moléculas en estudio. Adicionalmente, se obtuvieron las propiedades texturales y químicas de los biocarbonizados preparados a partir de bagazo de fique usando técnicas analíticas tales como: análisis elemental, fisisorción de N2 a -196 °C, microscopía de barrido electrónico, espectroscopía de infrarrojo, titulaciones Boehm, análisis termogravimétrico y calorimetría de inmersión. También, en los procesos de adsorción se estudiaron el efecto de la concentración inicial de los analítos en estudio, el pH de la solución, el tiempo y la temperatura del proceso, lo que permitió determinar los cambios de: energía libre de Gibbs ([Delta]G), entalpía ([Delta]H) y entropía ([Delta]S). Los resultados mostraron que las características fisicoquímicas de los biocarbonizados de bagazo de fique variaron tanto con el tratamiento de pirólisis usado, como con los procesos de modificación empleados. También se determinó que en el intervalo de pH evaluado no hubo diferencias significativas en la capacidad de adsorción, mientras que el tiempo de adsorción, la temperatura y la concentración fueron parámetros que afectaron la capacidad de adsorción de todos los biocarbonizados empleados. Además se evidenció que el biocarbonizado más eficiente sin modificación fue el obtenido a 850°C con un tiempo de residencia de vapor de 3 horas (FB850-3) y el mejor de los modificados fue el tratado con hidróxido de sodio (FB850-3Na), este material tuvo una capacidad de adsorción de 80,65 y 57,13 mg/g a 20 °C para la cafeína y el diclofenaco, respectivamente. Asimismo, se determinó que los datos experimentales de la cinética de adsorción de cafeína y diclofenaco, sobre los biocarbonizados evaluados, se ajustaron al modelo de pseudo primer orden, mientras que en los procesos de adsorción se observó una mejor correlación con el modelo de Sips. Además, se estableció que en la evaluación de la adsorción competitiva, los biocarbonizados de bagazo de fique tuvieron preferencia por la CFN frente al DCF. Adicionalmente, se comprobó que los procesos de adsorción fueron favorables y exotérmicos. Lo anterior permitió concluir que los biocarbonizados de bagazo de fique ix fueron sólidos heterogéneos, los cuales tuvieron diversidad de sitios disponibles para la adsorción, en los que la adsorción tanto de la CFN como del DCF se llevó a cabo a través de mecanismos tales como: interacciones ¿-¿, enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, sorción hidrofóbica, complejación y precipitación superficial. Finalmente, en el proceso mecanoquímico llevado a cabo se determinó que la transformación tanto de la cafeína como del diclofenaco fue posible cuando se mezcló el biocarbonizado (FB850-3) con polvo de aluminio (Al) como reactivo de co-molienda, lográndose la identificación de siete productos de degradación con cada contaminante evaluado.
Resumen en inglés
In this research, biochar with and without modifications where studied. Biochar was obtained from fique bagasse, an agro-industrial residue which pollutes soils and waters, therefore, alternatives are being search for the use of this biomass. On the other hand, biochar has a proven capacity to eliminate a number of molecules detected in different environments, making them a potent alternative for pollutants remotion, thus, an assessment of its capacity to adsorption the emergent contaminants diclofenac sodium (DCF) and caffeine (CFN) from aqueous solution, following the adsorption, these solids where subjected to mechanochemical processes with the aim of evaluating degradation molecules under study. In addition, textural and chemical properties for biochar prepared from fique bagasse were obtained using techniques such as: elemental analyses, physisorption of N2 at -196 °C, scanning electron microscopy, Infrared spectroscopy, Boehm titrations, thermogravimetric analysis and immersion calorimetry. Additionally, effects of initial concentration for the analytes under study in adsorption processes where analyzed, as well as the solution¿s pH, time and temperature of process, which allowed to determinate changes in Gibbs free energy ([Delta]G), enthalpy ([Delta]H) and entropy ([Delta]S). Results showed that physicochemical characteristics of fique bagasse biochars changed with both pyrolysis treatment used and modification processes employed. Also, was evidenced that there was no significant variance in adsorption capacity for pH interval evaluated, while adsorption time, temperature and concentration were parameters that affected adsorption capacity of caffeine and diclofenac in the biochar used. It was also determined that the most efficient unmodified biochar was the one obtained at 850 °C with a vapor residence time of 3 hours (FB850-3) and the one treated with sodium hydroxide (FB850-3Na) was the best one from the modified group, this one had an adsorption capacity of 80.65 and 57.13 mg/g at 20 °C for CFN and DCF, respectively. Moreover, there was also evidence that the experimental kinetic data of CFN and DCF adsorption in the evaluated biochar, were fitted well with pseudo first order model, while in adsorption processes a better adjusted was established with Sips model. Likewise, it was determined that in evaluation of competitive adsorption, fique bagasse biochar had a preference for CFN over DCF. Furthermore, adsorption process was found to be favorable and exothermic. The above results allowed to conclude that fique bagasse biochars were heterogeneous solids, which had a diversity of sites available for adsorption, in which the adsorption of both CFN and DCF was carried out through mechanisms such as: interactions ¿-¿, hydrogen bonds, van der Waals forces, hydrophobic sorption, complexation and surface precipitation. xi Finally, in mechanochemical process carried out, it was determined that transformation of both caffeine and diclofenac was possible when the biochar FB850-3 was mixed with aluminum powder (Al) as co-grinding reagent, achieving identification of seven degradation products with each pollutant evaluated.