Optimization of the electrochemical properties of biochar for the remediation of organic pollutants in soil

Resumen

El objetivo general de esta tesis es obtener biochar con propiedades electroquímicas mejoradas capaces de promover la degradación de contaminantes en el suelo. La hipótesis principal es que el aumento en la abundancia de grupos funcionales, metales redox y aromaticidad del biochar aumentará su capacidad redox y su conductividad, lo que a su vez permitirá que el biochar mejore la degradación de contaminantes, ya sea directamente (reacción redox directa entre el contaminante y el biochar) o indirectamente (mediación de electrones). La tesis se ha estructurado en cuatro capítulos, relacionados con diferentes objetivos. En el capítulo 1 se revisan los conocimientos actuales sobre las propiedades electroquímicas del biochar, así como las diferentes técnicas disponibles para medirlas. Se discuten diferentes métodos de modificación y parámetros de producción (materias primas, aditivos, condiciones de pirólisis), centrados en la creación de biochars con propiedades electroquímicas mejoradas. En el capítulo 2, el objetivo era producir biochar con una amplia gama de propiedades electroquímicas que permita su uso en aplicaciones específicas, con la capacidad redox como objetivo principal. Para ello, alteramos el biochar con varias estrategias, incluyendo la optimización de los parámetros de producción y procesamiento en la pirólisis, la selección de la materia prima, la precarga de la biomasa con metales redox y tratamientos post-pirólisis. Para identificar los componentes responsables de los cambios en las propiedades electroquímicas y entender cómo las diferentes estrategias alteraron el biochar, medimos las variaciones en los grupos funcionales de la superficie, los radicales y el contenido en metales redox de los biochar modificados. Dado que otras propiedades del biochar, como el área superficial y el pH, también pueden influir en su efecto en diversas aplicaciones, nuestro objetivo secundario era caracterizarlas y, en su caso, establecer su relación con las propiedades electroquímicas. En este capítulo 3, examinamos cómo la modulación de las propiedades electroquímicas del biochar puede influir en la remediación de pentaclorofenol (PCP) en el suelo. El suelo contaminado con PCP se incubó en condiciones aeróbicas y anaeróbicas, con los biochars producidos en el capítulo anterior como enmiendas. El alcance de la remediación del PCP, así como la cinética del proceso se examinaron detenidamente durante una incubación de 50 días. Esto reveló el papel que la capacidad redox y la conductividad del biochar tienen en la remediación, lo que nos permitió proponer las mejores estrategias de modificación para este fin. Se discutió la influencia del biochar en las vías de transformación del PCP, centrándose en los posibles mecanismos de transferencia de electrones entre los microorganismos, biochar y PCP, así como el efecto de la modificación del biochar en estos mecanismos. Además de los cambios causados en las propiedades electroquímicas, la modificación del biochar alteró otras propiedades como el pH, el área superficial o la adsorción del contaminante, que también caracterizamos y determinamos su impacto en la remediación del contaminante. Finalmente, en el capítulo 4 evaluamos la influencia de la modificación del biochar en las vías de degradación de paracetamol (ACT) en suelo. Para ello, identificamos sus principales metabolitos de transformación y propusimos una vía general de degradación. También se investigó su capacidad para optimizar y promover la remediación de ACT. El biochar alteró algunos de los mecanismos de degradación del ACT en el suelo, permitiéndonos entender qué propiedades son necesarias para una degradación mejorada y su papel en este proceso. Esta tesis demuestra que la modificación de las propiedades electroquímicas del biochar es una estrategia adecuada para mejorar la remediación de diferentes contaminantes tanto en suelos aeróbicos como anaeróbicos. Esta estrategia no sólo es capaz de superar las limitaciones del biochar sin modificar, sino también las del propio suelo.