La microscopía SEM del CIQTEK presenta nanoesferas de Cu-C para superar la desactivación del catalizador en el tratamiento de aguas residuales.

Con la aceleración de la industrialización y el continuo aumento de las emisiones contaminantes, las aguas residuales orgánicas representan una grave amenaza para los ecosistemas y la salud humana. Las estadísticas muestran que el consumo energético del tratamiento de aguas residuales industriales representa el 28 % del consumo energético mundial para el tratamiento de agua. Sin embargo, la tecnología Fenton convencional adolece de desactivación del catalizador, lo que reduce la eficiencia del tratamiento. Los catalizadores metálicos en procesos de oxidación avanzada se enfrentan a obstáculos comunes: el proceso de ciclado redox no puede mantenerse eficazmente, las vías de transferencia de electrones están restringidas y los métodos de preparación tradicionales se basan en altas temperaturas y altas presiones, con rendimientos de tan solo el 11 % al 15 %.

Para abordar estos desafíos, un equipo de investigación de Universidad Tecnológica de Dalian Desarrollaron un nanocatalizador de Cu-C mediante el acoplamiento direccional de celulosa comercial con iones de cobre mediante un método de reemplazo galvánico químico húmedo. Además, establecieron un novedoso sistema de degradación con... Mecanismo catalítico de doble canal (vía radical + transferencia directa de electrones) y amplia adaptabilidad al pH. El material logró una degradación del 65 % de la tetraciclina en 5 minutos (en comparación con <5 % con catalizadores comerciales), con una lixiviación de iones de cobre inferior a 1,25 mg/L (inferior al estándar nacional de 2,0 mg/L). En un reactor de lecho empacado (PTR), se logró una eliminación de contaminantes superior al 99 % en un tiempo de residencia de tan solo 20 segundos. Al permitir una actividad catalítica sostenida mediante la vía de transferencia directa de electrones, este enfoque solucionó el problema persistente de la baja adaptabilidad ambiental de los catalizadores tradicionales.

El estudio, titulado Degradación catalítica robusta de doble canal basada en contaminantes orgánicos mediante compuestos de Cu-C con recolección direccional de electrones y generación clásica de especies radicales. , fue publicado en Revista de Ingeniería Química .

Formación de nanocatalizadores de Cu-C

Utilizando celulosa comercial como soporte, el equipo incorporó iones de cobre mediante un método de sustitución galvánica química húmeda para construir nanocompuestos de Cu-C con actividad catalítica de doble canal. Las caracterizaciones revelaron efectos únicos de transferencia de electrones en diversas condiciones. Imágenes SEM ( CIQTEK SEM5000 ) reveló la evolución microestructural La celulosa prístina exhibió una red desordenada que, tras la formación del compuesto, se transformó en esferas de cobre de 10 nm que se autoensamblaron en agregados jerárquicos de 100 nm. Esta estructura garantizó una alta dispersión y transporte de electrones. SEM-EDS Se confirmó la distribución uniforme de elementos. Los espectros FTIR revelaron un pico de Cu₂O a 682,31 cm⁻¹ debido a reacciones redox durante la síntesis. La presencia de grupos C=C, C=O y C–H respaldó aún más los hallazgos, mientras que se observó un fuerte pico de –OH a 3200–3600 cm⁻¹. El análisis XPS indicó que las señales de Cu₂₂ provenían principalmente de Cu₂(OH)₂CO₃ y Cu₂O, con C₂₂ mostrando enlaces C=C y C–C, en consonancia con los resultados de FTIR.

Figura 1. Preparación y caracterización del catalizador

Rendimiento de degradación catalítica

En la activación con persulfato (PDS), el catalizador de Cu-C presentó dos vías de degradación: eliminación del 65 % de tetraciclina en 5 minutos (en comparación con <5 % para catalizadores comerciales) con una lixiviación de Cu de tan solo 1,25 mg/L, por debajo del límite nacional. Experimentos de control confirmaron que la degradación se originó por catálisis heterogénea. Estudios de optimización sobre el tipo de oxidante, la dosificación del catalizador y la dosificación del oxidante mostraron un rendimiento superior del Cu-C en comparación con muchos catalizadores a base de cobre.

Figura 2. Rendimiento de degradación del nanocatalizador Cu-C en la eliminación de contaminantes

Vías catalíticas de doble canal

El mecanismo sinérgico involucró vías de transferencia electrónica directa y radical, con una contribución de aproximadamente el 55 % y el 45 %, respectivamente. La extinción de radicales, la detección mediante EPR de señales de SO₄•⁻ y •OH, los desplazamientos XPS (energía de enlace de Cu(II) ↓1,01 eV) y las mediciones de corriente electroquímica (~45 μA) confirmaron la coexistencia de estos mecanismos. La capacidad de los contaminantes para donar electrones se correlacionó positivamente con el rendimiento catalítico, lo que validó aún más la vía de transferencia electrónica directa.

Reducción de la toxicidad y reutilización del agua

El análisis de toxicidad mostró que los intermediarios presentaron una toxicidad CL₅₀ un 96 % menor para los peces en comparación con la tetraciclina, y el 90 % de los intermediarios presentaron efectos mutagénicos o de desarrollo reducidos. Los experimentos de crecimiento de algas demostraron que el agua tratada generó una biomasa algal sana, comparable a la del agua pura. Las plantas de loto cultivadas en agua tratada mostraron un crecimiento significativamente mejor que las cultivadas en aguas residuales de tetraciclina sin tratar, lo que confirma el potencial para la reutilización segura del agua.

Figura 4. Baja toxicidad de los intermediarios y reutilización del agua tratada en sistemas acuáticos

Escalabilidad y adaptabilidad

Se validó la viabilidad utilizando polvos de Cu-C y reactores de lecho empacado (PTR) de CuC@FC. Experimentos de flujo continuo con tetraciclina, rojo de metilo y clorobenceno revelaron una eliminación superior al 99 % de contaminantes y colorantes ricos en electrones, aunque el rendimiento fue menor para compuestos deficientes en electrones. En comparación con los métodos convencionales de alta temperatura y alta presión, la síntesis de Cu-C requirió temperaturas significativamente más bajas y tiempos más cortos, lo que subraya la viabilidad de la producción automatizada, a gran escala y de bajo consumo energético para aplicaciones industriales.

Este trabajo logra un doble avance en eficiencia y sostenibilidad para la degradación de contaminantes orgánicos. Al permitir vías cooperativas de transferencia radical y directa de electrones, el catalizador Cu-C se adapta a las diferentes condiciones del agua y características de los contaminantes. Este diseño allana el camino hacia un tratamiento de aguas residuales de bajo consumo energético, altamente compatible y orientado al aprovechamiento de los recursos, ofreciendo un nuevo paradigma para la remediación de aguas industriales.