Techniques integration for degrading emerging pollutants and on the horizon

Abstract

Ionic liquids (ILs) are an alternative to conventional organic solvents and they have great potential to improve and develop new processes in Green Chemistry. This paradigmatic characteristic has contributed to the fact that ILs have overcome the laboratory scale and they are postulated as candidates for their production and use on a large scale. Thus, the first family of ILs based on imidazolium cation is already applied at the industrial level, and consequently it has been registered in the REACH regulation of chemical substances. One of the differentiating aspects of these compounds is their high thermochemical stability, which in turn can pose a high environmental risk due to their persistence and toxicity after their release into aquatic and edaphic ecosystems. Based on these considerations, the search for effective remediation methods according to the family to be treated is a priority research line within the framework of the current Community Water Directive (2000/60/EC) and, in particular, ILs have been classified as “pollutants on the horizon”. Therefore, it is necessary to advance in the development of technically and economically viable technologies that allow to degrade these liquid salts in an adequate time, with the minimum environmental and social impact. However, the lack of in-depth studies on this subject makes it necessary to present this Thesis focused on the treatment of these pollutants on the horizon. To begin with, the degradation capacity of hydroxyl or sulfate radicals will be evaluated, followed by the optimization of the chosen process. The complex nature of these pollutants makes their complete remediation by conventional technologies difficult and costly. That is why in recent years, as an alternative to reduce the overall costs of the process and to improve the overall effectiveness of the treatment, the use of electrochemical biological sequential treatments is being proposed. Thus, those ILs that are not biodegradable by conventional biological processes could be biodegraded after a short electrochemical treatment, which would be sufficient to reduce the toxicity of the source contaminants. In this context, one of the objectives of this research will be the design of hybrid strategies that combine electrochemical and biological systems for the degradation of ILs in water. However, ionic liquids are not found alone in the aqueous medium, other contaminants such as pharmaceutical compounds may appear. Therefore, its degradation will also be evaluated in this Thesis. Further, in this Thesis it is planned to develop a new tool to optimize in situ the reaction that occurs in the electrochemical process that is being carried out. In this way, differential pulse voltammetry is applied to obtain a better understanding of the reactions and processes that take place in the reaction medium, to develop a more efficient treatment for the degradation of these pollutants. This will allow solving the presence of new pollutants on the horizon of anthropogenic origin, so the benefits of this Thesis reach not only the chemical industry, but society in general, by reducing the environmental impact that could be the growing application of these solvents.

Los líquidos iónicos (LIs) son una alternativa a los disolventes orgánicos convencionales y presentan un gran potencial para mejorar y desarrollar nuevos procesos en Química Verde. Esta característica paradigmática ha contribuido a que los LIs hayan superado la escala laboratorio y se postulen como candidatos para su producción y uso a gran escala. Así, la primera familia de LIs basada en el catión imidazolio ya se aplica a nivel industrial, y en consecuencia ha sido registrada en el reglamento REACH de sustancias químicas. Uno de los aspectos diferenciadores de estos compuestos hace referencia a su elevada estabilidad termoquímica, que a su vez puede suponer un gran riesgo medioambiental por su persistencia y toxicidad tras su vertido en ecosistemas acuáticos y edáficos. A tenor de estas consideraciones, la búsqueda de métodos de remediación eficaces en función de la familia a tratar es una línea de investigación prioritaria en el marco de la actual directiva comunitaria del agua (2000/60/EC) y, en concreto, los LIs ya han sido catalogados como “contaminantes en el horizonte”. Por lo tanto, es necesario avanzar en el desarrollo de tecnologías viables técnica y económicamente que permitan degradar estas sales líquidas en un tiempo adecuado, con el mínimo impacto ambiental y social. Sin embargo, la escasez de estudios en profundidad sobre esta temática hace necesario plantear la presente Tesis centrada en el tratamiento de estos contaminantes en el horizonte. Para empezar, se evaluará la capacidad de degradación de los radicales hidroxilo y los radicales sulfato, seguido de la optimización del proceso escogido. La compleja naturaleza de estos compuestos hace difícil y costosa su completa remediación por tecnologías convencionales. Es por ello que en los últimos años, como alternativa para reducir los costes globales del proceso y mejorar la eficacia del tratamiento, se está proponiendo el empleo de tratamientos secuenciales electroquímicos-biológicos. De ese modo, aquellos LIs que no son biodegradables por procesos biológicos convencionales, podrían ser biodegradados tras un corto tratamiento electroquímico, suficiente para reducir la toxicidad de los contaminantes de origen. En este contexto, uno de los objetivos de la investigación será el diseño de estrategias híbridas que aúnen sistemas electroquímicos y biológicos para la degradación de LIs en medios acuosos. No obstante, los líquidos iónicos no se encuentran solos en el medio acuoso, pudiendo aparecer otros contaminantes como los compuestos farmacéuticos. Por ello, en la presente Tesis también se evaluará su degradación. A mayores, en esta Tesis se planea desarrollar una nueva herramienta para optimizar in situ la reacción que ocurre en el proceso electroquímico que se está llevando a cabo. De esta forma, se aplica la voltamperometría de pulso diferencial para obtener un mejor conocimiento de las reacciones y procesos que ocurren en el medio de reacción, para desarrollar un tratamiento más eficiente para la degradación de estos contaminantes. Así, se permitirá dar solución a la presencia de nuevos contaminantes en el horizonte de origen antropogénico, por lo que los beneficios de esta Tesis alcanzan no sólo a la industria química, sino a la sociedad en general, por la reducción del impacto medioambiental que podría suponer la creciente aplicación de estos disolventes.

Os líquidos iónicos (LIs) son unha alternativa ós disolventes orgánicos convencionais e presentan un gran potencial para mellorar e desenrolar novos procesos en Química Verde. Esta característica paradigmática contribuíu a que os LIs superasen a escala laboratorio e se postulen como candidatos para a súa produción e uso a gran escala. Así, a primeira familia de LIs baseada no catión imidazolio xa se aplica a nivel industrial, en consecuencia foi rexistrada na regulación REACH de sustancias químicas. Un dos aspectos distintivos destes compostos fai referencia a súa elevada estabilidade termoquímica, que á súa vez pode supoñer un gran risco medioambiental pola súa persistencia e toxicidade trala súa vertedura en ecosistemas acuáticos e do solo. Con base nestas consideracións, a procura de métodos de remoción eficaces en función da familia a tratar é unha liña de investigación prioritaria no marco da actual directiva comunitaria da auga (2000/60/EC) e, en concreto, os LIs xa foron catalogados como “contaminantes no horizonte”. Polo tanto, é necesario avanzar no desenrolo de tecnoloxías viables técnica e economicamente que permitan degradar estas sales líquidas nun tempo adecuado, co mínimo impacto ambiental e social. Sen embargo, a escaseza de estudos en profundidade sobre esta temática fai necesario propor a presente Tese centrada no tratamento destes contaminantes no horizonte. Para comezar, avaliarase a capacidade de degradación dos radicais hidroxilo e os radicais sulfato, seguido da optimización do proceso elixido. A complexa natureza destes compostos fai difícil e custosa a súa completa remoción por tecnoloxías convencionais. É por iso que nos últimos anos, como alternativa para reducir os custes globais do proceso e mellorar a eficacia do tratamento, estase propondo o emprego de tratamentos secuenciais electroquímicos biolóxicos. Dese modo, aqueles LIs que non son biodegradables por procesos biolóxicos convencionais, poderían ser biodegradados tras un corto tratamento electroquímico, suficiente para reducir a toxicidade dos contaminantes de orixe. Neste contexto, un dos obxectivos da investigación será o deseño de estratexias híbridas que combinen sistemas electroquímicos e biolóxicos para a degradación de LIs en medios acuosos. Non obstante, os líquidos iónicos non se atopan solos no medio acuoso, podendo aparecer outros contaminantes como os compostos farmacéuticos. Por elo, na presente Tese tamén se avaliará a súa degradación. A maiores, nesta Tese planéase desenvolver unha nova ferramenta para optimizar in situ a reacción que ocorre no proceso electroquímico que se está levando a cabo. Deste xeito, aplícase a voltamperometría de pulso diferencial para obter un mellor coñecemento das reaccións e procesos que ocorren no medio de reacción, para desenrolar un tratamento mais eficiente para a degradación destes contaminantes. Así, permitirase dar solución á presenza de novos contaminantes no horizonte de orixe antropoxénico, polo que os beneficios desta Tese alcanzan non só á industria química, senón á sociedade en xeral, pola redución do impacto medioambiental que podería supor a crecente aplicación destes disolventes.