Oxidación catalítica en medio heterogéneo de un colorante azoico empleando el sistema peróxido activado con bicarbonato

Abstract

Uno de los contaminantes recalcitrantes que generan alto impacto en los cuerpos de agua son los colorantes sintéticos, especialmente los que contienen en su estructura molecular grupos azo, debido a que impiden los procesos fotosintéticos, reducen la concentración de oxígeno disuelto y afectan la dinámica del sistema acuático. Dada la compleja estructura química y tamaño molecular de los colorantes, la mayoría de estos compuestos no logran ser eliminados por los métodos convencionales para el tratamiento de aguas. El rojo allura, también conocido como rojo No. 40 o E129, es un colorante azoico ampliamente utilizado en la industria alimentaria para impartir coloración en helados, refrescos, dulces y productos de panadería. Su fórmula molecular es C18H14N2Na2O8S2 y se caracteriza por ser una molécula estable, con una vida media de 33.6 h bajo fotólisis directa (UVB). En la presente investigación se evaluó el potencial catalítico de la bentonita pilarizada con aluminio e impregnada con cobalto (Co/Al-PILC) para la oxidación del colorante rojo allura con el sistema BAP (por sus siglas en inglés, Bicarbonate-Activated Peroxide), bajo condiciones suaves de temperatura y presión (25 °C y presión atmosférica). Para todos los ensayos de oxidación se empleó una dosis de catalizador de 2.0 g/L y la concentración de cobalto impregnado fue del 1.0% en masa. El efecto de las concentraciones de H2O2, NaHCO3 y colorante sobre la decoloración y remociones de carbono total (CT) y nitrógeno total (NT) se analizó mediante un diseño central compuesto (DCC) y la metodología de superficie de respuesta (MSR). Empleando el sistema Co/Al-PILC-BAP se lograron decoloraciones de 99.43%, y remociones de NT y CT del 72.82 y 18.74%, respectivamente. Los datos experimentales de decoloración y remoción del CT y NT se ajustaron a modelos matemáticos de segundo orden, con coeficientes de determinación (R2) mayores a 0.9713. Las condiciones óptimas que maximizan la decoloración y mineralización se obtuvieron para concentraciones de colorante, H2O2 y NaHCO3 de 21.25 mg/L, 2.59 y 1.25 mM, respectivamente. Los datos de la cinética de decoloración 25 y 35 °C se ajustaron al modelo de pseudo primer orden, en tanto que a 45 °C el mejor ajuste fue al modelo de pseudo segundo orden. Algunos intermediarios y subproductos finales de reacción fueron identificados mediante análisis de cromatografía líquida (HPLC) y cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-EM). Los resultados de esta investigación mostraron que el sistema BAP catalizado con cobalto soportado sobre una arcilla pilarizada (Co/Al-PILC) es una alternativa para el tratamiento de aguas coloreadas, y puede ser empleado como tratamiento terciario o como pretratamiento para mejorar la biodegradabilidad del agua. (Texto tomado de la fuente)

One of the recalcitrant pollutants that have a high impact on water bodies are synthetic dyes, especially those that contain azo groups in their molecular structure, because they impede photosynthetic processes, reduce the concentration of dissolved oxygen, and affect the dynamics of the aquatic system. Due to the complex chemical structure and molecular size of the dyes, most of these compounds cannot be removed by conventional water treatment methods. Allura red, also known as red No. 40 or E129, is an azo dye widely used in the food industry to impart coloration in ice cream, soft drinks, candies, and bakery products. Its molecular formula is C18H14N2Na2O8S2 and it is characterized by being a stable molecule, with a half-life of 33.6 h under direct photolysis (UVB). In the present investigation, the catalytic potential of cobalt-impregnated aluminum-pillarized bentonite (Co/Al-PILC) was evaluated for the oxidation of allura red dye with the Bicarbonate-Activated Peroxide (BAP) system under mild temperature and pressure conditions (25 °C and atmospheric pressure). For all oxidation tests, a catalyst dosage of 2.0 g/L was used, and the impregnated cobalt concentration was 1.0% by mass. The effect of H2O2, NaHCO3 and dye concentrations on decolorization and total carbon (TC) and total nitrogen (TN) removals was analyzed using a central composite design (CCD) and response surface methodology (RSM). Using the Co/Al-PILC-BAP system, discolorations of 99% and TC and TN removals of 18 and 72%, respectively, were achieved. The experimental data for TC and TN discoloration and removal were fitted to second-order mathematical models, with coefficients of determination (R2) greater than 0.9713. Optimal conditions maximizing decolorization and mineralization were obtained for dye, H2O2 and NaHCO3 concentrations of 21.25 mg/L, 2.59 and 1.25 mM, respectively. The decolorization kinetics data 25 and 35 °C were fitted to the pseudo first order model, while at 45 °C the best fit was to the pseudo second order model. Some intermediates and final reaction by-products were identified by liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) analysis. The results of this research showed that the cobalt-catalyzed BAP system supported on a pillared clay (Co/Al-PILC) is an alternative for the treatment of colored water and can be employed as a tertiary treatment or as a pretreatment to improve the biodegradability of the water.