Remoción de contaminantes emergentes utilizando minerales arcillosos como posible etapa complementaria en procesos de tratamiento de efluentes

Abstract

Los contaminantes emergentes (CE), como los productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCPs), son una problemática a nivel mundial que genera diversas consecuencias ambientales desde hace décadas. Actividades domésticas, hospitalarias, veterinarias y agrícolas son las principales fuentes de llegada de los mismos al ambiente, aunque no todas son aptas a controlar. Es un hecho que las plantas de tratamiento de agua no poseen la infraestructura suficiente para eliminarlos totalmente y ante esto surge la posibilidad de desarrollar una etapa final, complementaria a las existentes, con este fin y evitando que sean vertidos en los cuerpos de agua. De los diversos métodos existentes que han sido estudiados para esto, la adsorción es reconocido por su eficiencia y bajo costo. Esta temática es la antesala de este trabajo, que estudió la posibilidad de utilizar arcillas magnésicas dioctaédricas y trioctaédricas para la remoción desde medios acuosos mediante ensayos de adsorción de Ciprofloxacina (CPX), antibiótico considerado como un CE modelo. Para ello se seleccionaron y caracterizaron dos tipos de arcillas naturales españolas denominadas: Ad-1 y Ad-6. La caracterización mostró que la primera de ellas, Ad-1, presenta alta proporción de palygorskita (66%), mientras que Ad-6 posee un 80-90% de stevensita. Los estudios de adsorción revelaron que tanto Ad-1 como Ad-6 poseen capacidades de adsorción similares, siendo 1,045 y 1,577 mmol/g, respectivamente, las cantidades de CPX máximas obtenidas según el Modelo de Sips, lo que indicaría un sistema heterogéneo en el que la molécula de CPX es retenida en diferentes sitios de adsorción. Los resultados sugieren que en ambos sistemas existe parte de la adsorción que ocurre mediante intercambio catiónico. Se evidenció la formación de complejos de esfera interna en Ad-1, posiblemente debido a la presencia de bordes disponibles en la estructura de la palygorskita, y por retención en mesoporos pequeños generados por la presencia de kerolita en Ad-6. Estos resultados fueron contrastados y sostenidos mediante la caracterización por FTIR y DRX de los complejos CPX-arcilla. Los mismos revelaron que los grupos funcionales de la CPX (carbonilos y carboxilos) interactúan con los sitios disponibles en la superficie de los minerales (FTIR), provocan un aumento del espacio basal d001 en Ad-1 pero no así en Ad-6, donde no se observa la variación de este parámetro (DRX), sugiriendo diferentes mecanismos para ambos materiales. Los resultados obtenidos en el presente trabajo sugieren que los materiales bajo estudio podrían representar una posibilidad económica, versátil y amigable con el ambiente para ser aplicados en la remoción de CE en etapas de tratamiento de efluentes.

Emerging contaminants (ECs), such as pharmaceuticals and personal care products (PPCPs), have posed a global environmental challenge for decades. Domestic, hospital, veterinary, and agricultural activities are the main sources of these contaminants, many of which are difficult to control. Water treatment plants often lack the necessary infrastructure to fully remove these substances. Therefore, implementing an additional treatment stage—complementary to existing processes—has been proposed to ensure the complete elimination of ECs before effluent is discharged into natural water bodies. Among the evaluated methods, adsorption has proven to be a highly efficient and cost- effective process. This study investigates the potential use of dioctahedral and trioctahedral magnesium clays for the removal of ciprofloxacin (CPX)—an antibiotic commonly used as a model EC—from aqueous media by adsorption test. Two natural Spanish clays, called Ad-1 and Ad-6, were selected and characterized. Results showed that Ad-1 contains a high proportion of palygorskite (66%), while Ad-6 consists of 80– 90% stevensite (a trioctahedral smectite). Adsorption studies revealed that both clays exhibit comparable adsorption capacities, reaching 1.045 and 1.577 mmol·g⁻¹ for Ad-1 and Ad-6, respectively. The experimental data fitted best to the Sips model, suggesting a heterogeneous adsorption system in which CPX molecules interact with various types of adsorption sites. The results also indicate that cation exchange plays a role in the adsorption mechanism for both materials. The formation of inner-sphere complexes was evidenced in Ad-1—possibly attributed to the availability of edge sites in the palygorskite structure—and through retention within small mesopores associated with kerolite in Ad- 6. These interactions were further supported by FTIR and XRD analyses of the CPX–clay complexes, which indicated interactions between functional groups (e.g., carbonyl and carboxyl) and active sites on the clay surfaces. Moreover, the increase in the d001 spacing in the Ad-1 sample suggests that distinct mechanisms are involved in the adsorption processes of each clay. Overall, the findings of this study support the use of these materials as cost-effective, versatile, and environmentally friendly alternatives for the removal of ECs in wastewater treatment processes.