Compact carbon-based membrane reactors for anaerobic biodegradation of azo-dyes from wastewater

Abstract

Els colorants tipus azo pertanyen al grup de contaminants amb caràcter tòxic i recalcitrant per als processos convencionals que es duen a terme a les plantes de tractament d'aigües municipals. La utilització de materials carbonosos ha resultat beneficiosa per augmentar el rendiment d'aquests processos, ja que actua com a portador d'electrons entre l'oxidació d'una font de carboni secundària i la reducció del colorant azo. Per això, aquest treball planteja l'ús d'un innovador sistema combinant el material portador d'electrons i l'element separador en un mateix element. Això s'aconsegueix mitjançant la preparació de membranes de carboni suportades sobre elements ceràmics. Aquests materials presenten porus en el rang de la nanofiltració pel que ajuden a la retenció de la totalitat dels compostos biològics que porten a terme la degradació. A més, la capa de carboni facilita el trànsit d'electrons de la mateixa manera que ho feien tecnologies prèvies com els llits empacats. La síntesi de la membrana requereix condicions específiques que són discutides al llarg de la tesi, d'aquesta forma s'aconsegueix preparar una superfície uniforme i completament coberta de carboni. Aquest nou sistema permet velocitats similars de degradació del colorant azo Acid Orange 7, 80-100% (32 g • m-3 • dia-1). A més, en casos puntuals d'elevat embrutiment sobre la membrana, aquest pot ser eficientment eliminat a través de tècniques de neteges àmpliament utilitzades en aquest àmbit. Al llarg de la tesi s'estudien reactors de membrana amb diferents configuracions incloent diferents materials carbonosos.

Los colorantes tipo azo pertenecen al grupo de contaminantes con carácter tóxico y recalcitrante para los procesos convencionales que se llevan a cabo en la plantas tratamiento de aguas municipales. La utilización de materiales carbonosos ha resultado beneficiosa para aumentar el rendimiento de estos procesos ya que actúa como portador de electrones entre la oxidación de una fuente de carbono secundaria y la reducción del colorante azo. Por ello, este trabajo plantea el uso de un innovador sistema en el cual se combina el material portador de electrones y el elemento separador en un mismo componente. Esto se consigue mediante la preparación de membranas carbon soportadas sobre elementos cerámicos. Estos materiales presentan poros en el rango de la nanofiltración por lo que ayudan a la retención de la totalidad de los compuestos biológicos que llevan a cabo la degradación. Además, la capa de carbono facilita el tránsito de electrones del mismo modo que lo hacían tecnologías previas como los lechos empacados. La síntesis de la membrana requiere condiciones específicas que son discutidas a lo largo de la tesis, de esta forma se consigue preparar una superficie uniforme y completamente cubierta de carbono. Este novedoso sistema permite similares velocidades de degradación del colorante azo Acid Orange 7, 80-100% (32 g•m-3•dia-1). Además, en casos esporádicos de elevado ensuciamiento sobre la membrana, este puede ser eficientemente eliminado a través de técnicas de limpiezas ampliamente utilizadas en este campo. A lo largo de la tesis se estudian reactores de membrana con diferentes configuraciones al igual que diferentes materiales carbonosos.

The azo dyes are considered toxic and recalcitrant contaminants to conventional processes implemented in municipal wastewater treatment plants. The use of carbonaceous materials has proven beneficial to increase the performance of the degradation processes because it acts as an electron carrier between the oxidation of a secondary source of carbon and the reduction of the azo dye. Therefore, this thesis proposes the use of an innovative system combining the electron carrier and an retention system in a single element. This is possible by preparing carbon membranes supported on ceramic elements. These materials present pores in the range of the nanofiltration so ensuring the retention of all biological compounds implied in this process. Furthermore, the carbon layer facilitates the electrons transport in the same way as previous reported systems such as carbon packed beds. The membrane synthesis requires specific conditions discussed throughout the thesis in order to prepare a uniform surface and completely covered with carbon. This novel system allows similar degradation rates of Acid Orange 7, 80-100% (32 g • m-3 • day-1) as previous studies reported in the literature. Furthermore, puntual severe cases of membrane fouling can be efficiently solved by conventional cleaning techniques widely used in this field. Throughout the thesis membrane reactors with different configurations carbonaceous materials are extensively studied.