Remoción de contaminantes emergentes por adsorción utilizando chala de maíz químicamente modificada

Abstract

La creciente presencia de contaminantes emergentes en cuerpos de agua superficiales y subterráneos constituye una problemática ambiental de relevancia actual, debido a que muchos de estos compuestos presentan elevada persistencia, actividad biológica y potencial impacto sobre los ecosistemas acuáticos y la salud de los organismos vivos. Entre ellos se destacan diversos fármacos de uso frecuente y sustancias de consumo cotidiano que, por sus características fisicoquímicas, no son eliminados de manera eficiente mediante los tratamientos convencionales de potabilización y depuración de aguas. En este contexto, la presente tesis doctoral se orienta al desarrollo y evaluación de materiales adsorbentes de bajo costo, obtenidos a partir de residuos lignocelulósicos, como alternativa sustentable para la remoción de contaminantes emergentes en medios acuosos. El trabajo se centra en el aprovechamiento de la chala de maíz como materia prima para la obtención de bioadsorbentes. Este residuo agroindustrial, ampliamente disponible y de bajo valor comercial, posee una composición lignocelulósica que lo convierte en un sustrato potencialmente útil para procesos de adsorción. A partir de este material se evaluaron adsorbentes en su forma nativa y modificada químicamente, con el objetivo de mejorar sus propiedades superficiales y aumentar su afinidad hacia distintos contaminantes. En particular, se estudiaron el polvo de chala de maíz previamente tratado para la eliminación de extractivos y la celulosa aislada mediante tratamiento alcalino en solución acuosa de NaOH/urea. Sobre estos sustratos se realizaron modificaciones químicas dirigidas mediante la incorporación de grupos funcionales amino, carboxilo y éster benzoato, obteniéndose los materiales Ch-NH₂, Cel-NH₂, Ch-COOH y Cel-OCOPh. Asimismo, se empleó un carbón activado comercial como material de referencia para establecer un marco comparativo de desempeño. Los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante diversas técnicas fisicoquímicas complementarias, entre ellas espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier, análisis térmico, adsorción de nitrógeno por el método BET, microscopía electrónica de barrido, titulación de Boehm y determinación del punto de carga cero. Estas técnicas permitieron corroborar la incorporación de los grupos funcionales introducidos, así como analizar los cambios estructurales, morfológicos y superficiales producidos por los tratamientos químicos aplicados. La caracterización resultó fundamental para relacionar la composición y las propiedades superficiales de los adsorbentes con su comportamiento frente a los contaminantes estudiados. La evaluación del desempeño adsorbente se llevó a cabo mediante estudios cinéticos e isotérmicos en sistemas acuosos monosoluto. Se seleccionaron como contaminantes modelo cinco fármacos de uso frecuente —ibuprofeno, naproxeno, diclofenac, atenolol y amoxicilina— y un compuesto de consumo cotidiano, la cafeína. Los ensayos fueron realizados bajo condiciones controladas de pH, fuerza iónica y temperatura, utilizando espectrofotometría UV-Vis para la cuantificación de las concentraciones remanentes en solución. En el caso particular de la chala de maíz, se diseñaron experimentos independientes para cada contaminante, con el fin de evaluar sistemáticamente la influencia de las principales variables fisicoquímicas sobre el proceso de adsorción. Los valores seleccionados para dichas variables se establecieron considerando condiciones representativas de cuerpos de agua naturales de la provincia de Buenos Aires. Los resultados obtenidos evidenciaron que la capacidad de adsorción depende tanto de la naturaleza del adsorbente como de las propiedades fisicoquímicas del contaminante. Los materiales funcionalizados con grupos carboxilo y éster benzoato presentaron un desempeño destacado para varios de los compuestos evaluados. En particular, para atenolol se observaron capacidades máximas del orden de 44–45 mg/g en los materiales Cel-OCOPh y Ch-COOH, mientras que los adsorbentes amino-funcionalizados mostraron valores inferiores. En el caso del diclofenac, se alcanzaron capacidades cercanas a 57 mg/g con el material Cel-OCOPh, lo que sugiere la importancia de las interacciones π–π en sistemas que involucran estructuras aromáticas. Por otra parte, el material Cel-NH₂ presentó el mejor desempeño en la adsorción de ibuprofeno y amoxicilina, con capacidades aproximadas de 63 mg/g y 75 mg/g, respectivamente. Para la cafeína, el material Ch-COOH mostró la mayor eficiencia de remoción, con valores cercanos a 50 mg/g. El análisis de las isotermas indicó que el modelo de Sips describió adecuadamente los datos experimentales en los sistemas estudiados, lo que permite inferir la presencia de superficies heterogéneas con una capacidad finita de saturación. Por su parte, los estudios cinéticos mostraron una etapa inicial rápida de adsorción, seguida de una aproximación gradual al equilibrio, comportamiento compatible con la participación conjunta de procesos de difusión y adsorción superficial. Además, se verificó que el pH constituye uno de los factores más relevantes del proceso, ya que influye simultáneamente sobre la carga superficial del adsorbente y sobre el estado de ionización de los contaminantes. La fuerza iónica y la temperatura también afectaron la adsorción, evidenciando la intervención de interacciones electrostáticas y de fuerzas de naturaleza predominantemente física. El estudio comparativo con carbón activado comercial permitió establecer una referencia para evaluar la eficiencia de los materiales desarrollados. Si bien el carbón activado presentó, en general, mayores capacidades de adsorción debido a su elevada área superficial y microporosidad, los adsorbentes lignocelulósicos modificados mostraron un desempeño competitivo, especialmente si se consideran su bajo costo, amplia disponibilidad, origen renovable y posibilidad de funcionalización selectiva. En este sentido, los resultados obtenidos demuestran que la modificación química de residuos lignocelulósicos constituye una estrategia efectiva para el diseño de materiales adsorbentes con propiedades ajustables. Finalmente, esta tesis aporta evidencia experimental sobre el potencial de la chala de maíz y de sus derivados modificados como materiales sustentables para la remoción de contaminantes emergentes en agua. Asimismo, contribuye a la valorización de residuos agroindustriales mediante su transformación en recursos útiles para el desarrollo de tecnologías ambientales de bajo costo. Los resultados alcanzados permiten proponer a estos bioadsorbentes como alternativas prometedoras para futuras aplicaciones en el tratamiento de aguas contaminadas con fármacos y otros compuestos de preocupación ambiental.