Recubrimiento de hormigones porosos con materiales de carbón para su uso en descontaminación ambiental

Resumen

Introducción Uno de los problemas importantes medioambientales actuales está relacionado con la presencia de altas concentraciones de nitratos en las aguas. El exceso de abonado de los suelos agrícolas suele ser la principal causa, y una alta concentración de estos iones en el agua favorece una superpoblación de algunas plantas, ya que disponen de mucho nitrógeno para la síntesis de sus proteínas. Esta superpoblación vegetal en el agua deriva de una eutrofización en ríos y lagos, donde también proliferan microalgas nocivas [1,2]. En este sentido, el empleo de bacterias soportadas para procesos de descontaminación de aguas, incluido procesos de desnitrificación, se han demostrado como estrategias eficaces y plausibles [3]. Los hormigones porosos son materiales polifuncionales que tienen una alta capacidad de drenaje y permeabilidad del agua, lo cual los convierten en materiales muy interesantes para ser utilizados en procesos de tratamiento de efluentes líquidos. Por otro lado, el empleo de estructuras cerámicas recubiertas de carbón han encontrado recientemente diferentes aplicaciones medioambientales [4], y también se conoce que la bacteria E. coli, además de tener capacidad para eliminar nitratos del agua, puede adsorberse, crecer y por tanto ser soportada sobre materiales de carbón [5]. Objetivos El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral ha sido estudiar la capacidad de desnitrificación de bacterias E. coli soportadas sobre hormigones altamente porosos recubiertos de carbón. Experimental Para alcanzar este objetivo, se han desarrollado nuevas películas de xerogel de carbón, y además, hormigones porosos desarrollados y suministrados por Cementos Portland Valderrivas, con diferentes grados de porosidad y permeabilidad, se han recubierto con una fina capa o película de xerogel de carbón, y también con una fina capa de carbonizado obtenido a partir de alcohol polifurfurílico. La preparación de estos hormigones recubiertos ha necesitado del desarrollo de un novedoso y original método de carbonización asistido por microondas, apto para ser usado sobre hormigones sin prejuicio de sus propiedades mecánicas. Los resultados obtenidos por la E. coli soportada en la desnitrificación de aguas, se han relacionado con las características físico-químicas del hormigón y del carbón. Previamente al proceso de desnitrificación, los materiales fueron exhaustivamente caracterizados, determinándose todos los parámetros necesarios para este tipo de estudios: propiedades mecánicas, características físicas y morfológicas, porosidad, permeabilidad, composición y propiedades químicas, etc. Resultados y Conclusiones En cuanto a las películas de xerogel de carbón desarrolladas en este trabajo, hay que mencionar que se han obtenido con una mesoporosidad bastante significativa, lo cual, también es muy novedoso desde el punto de vista del desarrollo de nuevos materiales de carbón en forma de película o láminas, no habiéndose encontrado materiales de este tipo descritos en la bibliografía consultada. El método de carbonización asistida por microondas, especialmente ideado para este estudio, ha permitido obtener películas de carbón mesoporosas a tiempos muy cortos, y con tan solo un 13 % de pérdida de peso durante la carbonización. Además, este tratamiento no ha afectado significativamente a la resistencia a compresión de los hormigones recubiertos de carbón obtenidos, lo cual abre un importante abanico de aplicaciones potenciales en la preparación de materiales cerámicos recubiertos. Los métodos desarrollados para el recubrimiento de carbón de los hormigones porosos han sido muy satisfactorios, ya que las películas de carbón han quedado bien adheridas, y sobre todo porque no se ha producido un bloqueo excesivo de la porosidad, por ejemplo, en cuanto al volumen de poros accesible al agua la máxima disminución obtenida tras los recubrimientos fue un 17 %. En cuanto al tipo de recubrimiento, el carbonizado obtenido a partir del empleo de alcohol polifurfurílico (serie HPCF) fue más efectivo, aunque ambos recubrimientos de carbón evitan significativamente la lixiviación de metales de los hormigones cuando están en contacto con el agua. Además, también se ha realizado un estudio utilizando diferentes fuentes de carbono, diferentes temperaturas del proceso, así como el efecto de la presencia de los metales Cr(VI) y Zn(II) sobre la capacidad de desnitrificación de las bacterias E. coli soportadas. En este sentido, el empleo de etanol en exceso como fuente de carbono, y la temperatura de 25 ºC, han sido las condiciones experimentales más adecuadas. La presencia de estos metales disminuye la capacidad de desnitrificación de la E. coli soportada. Tanto las películas de xerogel de carbón, como los hormigones porosos originales y recubiertos se comportan como buenos soportes para la E. coli en la desnitrificación del agua. Los hormigones altamente porosos recubiertos de carbón mostraron una mayor capacidad de eliminación, de nitratos y nitritos, que sus correspondientes hormigones no recubiertos, a pesar de que contienen menores volúmenes de poros accesibles al agua. Los hormigones de la serie HPCF mostraron también una mayor capacidad de eliminación, de nitratos y nitritos, que sus homólogos recubiertos de xerogel de carbón (serie HPCC), a pesar de que contienen también menores volúmenes de poros accesibles al agua. Este hecho se debe probablemente a la disminución de la toxicidad que presentan sus lixiviados, siendo la bio-compatibilidad el factor más influyente sobre la capacidad de eliminación de nitratos de la E. coli soportada, siempre y cuando los hormigones comparados tengan un elevado volumen de macroporos accesibles al agua. En cualquier caso la E. coli se fija y reproduce mejor sobre los materiales de carbón que directamente sobre el hormigón. Los hormigones porosos también pueden ser colonizados por algas, habiéndose observado una relación directa entre la porosidad del material y el crecimiento de este tipo de algas. [1] S. Sawayama, K.K. Rao, D.O. Hall. Nitrate and phosphate ion removal from water by Phormidium laminosum immobilized on hollow fibres in a photobioreactor. Applied Microbiology and Biotechnology, 49:463-468, (1998). [2] G. Zayed, J. Winter. Removal of organic pollutants and of nitrate from wastewater from the dairy industry by denitrification. Applied Microbiology and Biotechnology, 49:469-474, (1998). [3] H. Nielsen, H. Daims, H. Lemmer. FISH handbook for biological wastewater treatment. London (2009). [4] C. Moreno-Castilla, A.F. Pérez-Cadenas. Carbon-based honeycomb monoliths for environmental gas-phase applications. Materials, 3:1203-1227, (2010). [5] C. Moreno-Castilla, I. Bautista-Toledo, M.A. Ferro-García, J. Rivera-Utrilla. Influence of support surface properties on activity of bacteria immobilised on activated carbons for water denitrification. Carbon, 41:1743-1749, (2003).