Tratamiento térmico de lodos de la industria papelerautilización de subproductos para la adsorción de contaminantes emergentes del agua

Resumen

La industria de la pasta y del papel es un sector estratégico para la economía de la Unión Europea, con una importante contribución al crecimiento financiero y la creación de empleo. Sin embargo, los procesos de producción de pasta y de papel requieren altos consumos de energía y agua, siendo esta industria altamente contaminante. Como consecuencia del elevado consumo de agua, se generan grandes volúmenes de aguas residuales, cuyo tratamiento da lugar a la producción de lodos primarios (L1) y secundarios (L2). La práctica más habitual en la industria papelera es mezclar L1 y L2, para después gestionar esa mezcla (lodos mixtos). En media se generan un total de 50 kg de lodos mixtos por cada tonelada de papel que se produce, siendo el 70% de L1 y el 30% L2. En este contexto, y en el ámbito de la economía circular, esta tesis se centra en el aprovechamiento energético y valorización de estos lodos, y tiene por objetivo determinar las características del procesamiento térmico (combustión y pirolisis) de L1 y L2 así como de su co-procesamiento con carbón (C). Además, se pretende también estudiar la utilización del carbonizado residual de la pirólisis de los lodos para la adsorción de fármacos en aguas residuales. Los resultados obtenidos mostraron que las propiedades térmicas de los L1 utilizados en este trabajo fueron muy diferentes de las de los L2 y de las de C. Mediante análisis térmico simultáneo (STA, del inglés Simultaneous Thermal Analysis) fueron determinadas las curvas de termogravimetría derivada (DTG, del inglés Differential Thermogravimetry) y de calorimetría diferencial de barrido (DSC, del inglés Differential Thermogravimetry) para la combustión y pirólisis de L1, L2, C y sus respectivas mezclas, CL1 y CL2 (con un 10% en masa de L1 o L2, respectivamente). Las curvas DTG y DSC de la combustión de C mostraron perfiles típicos de carbones bituminosos, con una única etapa de pérdida de masa y liberación de calor. En el caso de L1, la pérdida de masa durante la combustión ocurrió en dos etapas: la primera y exotérmica, asociada al contenido volátil de la celulosa; y la segunda, sin desprendimiento de calor asociado, a la descomposición del carbonato cálcico. En el caso de L2, las curvas DTG y DSC revelaron tres etapas exotérmicas (desvolatilización de la celulosa; combustión de la materia orgánica biodegradable; combustión del carbono fijo), seguidas de la descomposición del carbonato cálcico (sin desprendimiento de calor). A pesar de las grandes diferencias entre C y los lodos de papelera, la combustión a temperatura programada de CL1 y CL2 fue bastante similar a la de C, especialmente en el caso de CL2. Para la pirólisis, las curvas DTG de L1 y L2, al contrario de las de C, mostraron una pérdida de masa apreciable y reflejaron bastantes semejanzas con las respectivas curvas de combustión. Por otro lado, la mezcla de L1 y L2 con C supuso un incremento de la reactividad de C durante la pirólisis de CL1 y CL2. Por último, los parámetros característicos de las curvas DTG apuntaron para la existencia de interacciones entre C, L1 y L2 durante la combustión y la pirólisis de sus mezclas. Esto fue confirmado a través de los valores de energía de activación (E) determinados mediante análisis cinético no-isotérmico. Estas E fueron inferiores a las calculadas a partir de la composición de dichas mezclas. Del mismo modo, las curvas DTG calculadas para combustión y pirólisis de CL1 y CL2 mostraron pérdidas de masa inferiores a las experimentales, permitiendo inferir efectos sinérgicos negativos. Con base a los resultados anteriores, se recomienda la gestión de L1 y L2 por separado. Para L2 se considera la co-combustión con carbón (con un 10% en masa de L2) como una alternativa factible, mientras que, para L1 y debido a su alto contenido en volátiles, la pirólisis es una opción adecuada. Como residuo de esa pirólisis se obtiene un carbonizado, cuya valorización como adsorbente se plantea en esta tesis como una alternativa de gestión. En este sentido y después de optimizar las condiciones de pirólisis para desarrollar la porosidad, el carbonizado (PS800-150) fue utilizado en el estudio cinético y de equilibrio de la adsorción de cuatro fármacos (diclofenaco, ácido salicílico, ibuprofeno y acetaminofén). Este estudio se realizó tanto en agua ultrapura (AUP) como en el efluente secundario de una estación depuradora de aguas residuales urbanas (ES-EDAR)). La capacidad de adsorción de los fármacos fue similar en AUP y en ES-EDAR, disminuyendo en el sentido diclofenaco > ibuprofeno ≈ acetaminofén > ácido salicílico. Una vez que el diclofenaco fue el fármaco para el que PS800-150 mostró una mayor capacidad, se estudió la cinética y el equilibrio de adsorción de este contaminante emergente por parte de dos carbones activados (WP270 y GPP20) y una resina polimérica (SP207) comerciales con el propósito de comparar los resultados en términos de adsorción. La capacidad de adsorción de diclofenaco por parte de los carbones activados fue un orden de magnitud superior a la de PS800-150. Sin embargo, PS800-150 no sólo mostró una capacidad similar a la de la resina SP207 sino que su cinética de adsorción fue más rápida, lo que apunta a su posible aplicación para el tratamiento terciario de aguas residuales.