New hybrid materials based on metal-organic frameworks for the removal of organic pollutants

Resumen

La creciente sensibilización respecto a los efectos negativos que las actividades industriales y humanas tienen sobre el medio ambiente y la salud pública y, más concretamente, sobre los recursos hídricos, ha dado lugar al desarrollo de nuevas estrategias para la mitigación del impacto que tienen estas actividades, convirtiéndolo en uno de los retos sociales más importantes en la actualidad. Entre las diferentes estrategias propuestas para garantizar una eficiente gestión del agua y el cumplimiento de las normas de calidad ambiental, se encuentra el desarrollo de materiales que permitan la extracción y eliminación de contaminantes ambientales. En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo el desarrollo de nuevos materiales derivados de redes metalo-orgánicas (MOFs) para la eliminación de contaminantes orgánicos como colorantes, fenoles y productos farmacéuticos. Para ello, se han sintetizado diferentes tipos de redes metalo-orgánicas y a partir de estas se han obtenido carbones porosos y óxidos metálicos. Además, con el objetivo de facilitar su aplicabilidad, los materiales preparados se han incorporado en soportes como membranas, agitadores magnéticos o dispositivos impresos en 3D. Los diferentes materiales obtenidos han sido caracterizados con las técnicas instrumentales adecuadas y se ha estudiado su aplicabilidad en la adsorción o degradación fotocatalítica de diferentes contaminantes. En el primer trabajo se ha llevado a cabo la preparación de una membrana compuesta de un carbón poroso derivado de una red metalo-orgánica tipo MIL-125-NH2 para la extracción de compuestos fenólicos. El carbón derivado (C-MIL-125-NH2) se ha preparado mediante la carbonización a elevada temperatura del MOF precursor en atmósfera de nitrógeno. El material obtenido ha demostrado una rápida cinética de adsorción del bisfenol A y el 4-tert-butilfenol, alcanzando el equilibrio en 25 minutos. Además, con un simple proceso de recubrimiento, se ha obtenido una membrana compuesta de este carbón (C-MIL-125-NH2-HM) para la extracción en flujo de los fenoles en estudio, demostrando una buena reciclabilidad, excelentes propiedades de flujo y una elevada eficiencia para la preconcentración de ambos fenoles. En el segundo trabajo se ha descrito la preparación de un óxido de titanio derivado de una red metalo-orgánica de tipo NTU-9. Este óxido de titanio (TiO2-NTU-9) se ha obtenido mediante la oxidación a 450 ¿C del MOF precursor. El TiO2-NTU-9 alcanza el 100% de degradación del azul de metileno (MB) en 2 horas gracias a que presenta una estructura mixta de fase anatasa y rutilo, así como un dopaje de carbono. Además, mediante un método de deposición simple, se ha preparado un agitador magnético recubierto del óxido de titanio (TiO2-NTU-9-S) y se ha aplicado en la eliminación de MB, demostrando una excelente y fácil reciclabilidad. Finalmente, en el tercer y último trabajo, para potenciar la capacidad de adsorción de la red metalo-orgánica MIL-100-Fe, se ha llevado a cabo la modificación post-sintética de la misma con grupos sulfónicos mediante la incorporación del ácido aminometanosulfónico (AMSA) en los centros metálicos descoordinados. El material obtenido, MIL-100-Fe-AMSA, ha sido utilizado para la extracción de diclofenaco (DCF), obteniendo una elevada capacidad de extracción (476 mg·g-1), gracias a la gran afinidad del DCF por los grupos sulfónicos. El MOF funcionalizado se ha inmovilizado en una columna impresa en 3D, facilitando su uso para la extracción, preconcentración y análisis de bajos niveles de DCF y ketoprofeno en muestras de agua.