Desarrollo de tecnologías sostenibles de tratamiento de agua y mejoramiento del suelo basadas en el uso de carbonizado de hueso e hidrochar de peces pleco

Abstract

RESUMEN. En esta tesis doctoral se investigó el potencial de los carbonizados de huesos (BC), hidrochars (HC) y pirohidrochars (PHC), derivados del pez pleco, como adsorbentes para la adsorción de fluoruro y As(V) en el agua, así como la viabilidad de los BC para su empleo como fertilizante en cultivos de chile poblano. En un primer estudio, se analizó la adsorción individual y binaria de fluoruro y As(V) sobre BC que fueron sintetizados en un horno rural conocido como gasificador de flujo ascendente (TLUD), encontrándose que la eficiencia de adsorción depende del pH, el fluoruro se adsorbe en mayor proporción a pH 5 y el As(V) a pH 9. Además, en la adsorción binaria de fluoruro y As (V), los BC mostraron una mayor afinidad por el fluoruro, con una capacidad de adsorción que disminuye a medida que aumenta la concentración de As(V), mientras que la adsorción de As(V) se ve afectada por la presencia de fluoruro. El aumento de la masa de BC incrementó el porcentaje de remoción de los contaminantes, alcanzando un 99.3% de remoción de fluoruro y 75.7% de As(V). En el segundo estudio se evaluó el uso de HC como adsorbente para la remoción de fluoruro en agua. El HC se produjo mediante carbonización hidrotermal (a 210 °C durante 6 h) y mostró una superficie específica de 113 m²/g y una composición rica en Ca, P, C y O, indicando la presencia de hidroxiapatita. El HC mostró una capacidad de adsorción creciente con la concentración inicial de fluoruro, alcanzando una capacidad de adsorción de fluoruro de hasta 10 mg/g con concentraciones iniciales de 60 mg/L, aunque el porcentaje de remoción disminuyó del 87% al 36% debido a la saturación del adsorbente. Estos resultados destacan el potencial del HC como un material prometedor para tratar aguas contaminadas con fluoruro. En el tercer estudio se optimizaron las condiciones de síntesis de HC y pirohidrochar (PHC) utilizando un diseño experimental D-Optimal para maximizar la capacidad de adsorción de fluoruro. Se determinó que las condiciones óptimas de síntesis eran 180 °C por 4 h para HC y 350 °C por 1 h para PHC, logrando rendimientos de 88.4 y 96.2 % y capacidades de adsorción de 5.27 y 5.64 mg/g, para el HC y PHC, respectivamente. La caracterización de estos materiales reveló diferencias significativas en el área específica y la concentración de sitios básicos. En un cuarto estudio, se sintetizaron dos tipos de BC en un horno rural tipo gasificador de flujo ascendente. Los BC fueron obtenidos a partir de los huesos que fueron tratados previamente con una solución de peróxido de hidrógeno (BCB) y a partir de los peces que no fueron sometidos a ningún tratamiento (BCF). Estos carbonizados fueron empleados en la adsorción de fluoruro, destacando el BCB por su mayor área específica y eficacia. Por lo que, el BCB fue utilizado en columnas de flujo continuo que presentaron tiempos de ruptura que disminuyen con el aumento del caudal. Los resultados obtenidos sugirieron que el uso del horno rural es una alternativa económica para producir BC con propiedades adecuadas para la remoción de fluoruro. Finalmente, en el quinto estudio se evaluó el BC como fertilizante en el cultivo de chile poblano, comparándolo con la roca fosfórica. Los tratamientos con BC mostraron resultados positivos en germinación, diámetro del tallo, número de hojas y tamaño de raíz, siendo comparable a la roca fosfórica en términos de eficacia. Estos resultados indican que la síntesis de BC puede ser una alternativa viable y económica para mejorar el crecimiento de este tipo de cultivos. En conclusión, el uso del horno rural TLUD para producir carbonizados de huesos de pez pleco se presenta como una solución innovadora accesible y sostenible, ideal para comunidades rurales que presentan la problemática de contaminación de agua. Los BC demostraron ser efectivos en la adsorción de fluoruro y arsénico en agua, incluso cuando estos contaminantes coexisten, gracias a sus propiedades fisicoquímicas y a las condiciones de la solución. Además, el carbonizado de hueso destaca como un fertilizante alternativo en cultivos como el chile poblano, ya que el desarrollo de las plantas fue comparable con el uso de la roca fosfórica. La comparación de los métodos de síntesis como el TLUD y la carbonización hidrotermal (HTC) resalta la viabilidad económica del TLUD para comunidades rurales, mientras que HC y PHC ofrecen mejores propiedades adsorbentes bajo condiciones más avanzadas. En conjunto, estas estrategias abordan problemas ambientales y sociales al aprovechar un recurso invasor como los peces pleco, contribuyendo al desarrollo de soluciones sostenibles en tratamiento de agua, agricultura y mitigación del impacto ecológico, alineadas con los Objetivos de Desarrollo Sostenible.

ABSTRACT. In this PhD thesis, the potential of bone chars (BC), hydrochars (HC) and pyrohydrochars (PHC), derived from pleco fish, as adsorbents for the adsorption of fluoride and As(V) in water was investigated, as well as the feasibility of BC for their use as fertilizer in poblano chile crops. In a first study, the individual and binary adsorption of fluoride and As(V) on BC that were synthesized in a rural oven known as top-lit-updraft (TLUD) type gasifier was analyzed, finding that the adsorption efficiency depends on pH, fluoride is adsorbed in higher proportion at pH 5 and As(V) at pH 9. Furthermore, in the binary adsorption of fluoride and As(V), BCs showed a higher affinity for fluoride, with adsorption capacity decreasing as As(V) concentration increases, while As(V) adsorption is affected by the presence of fluoride. Increasing the mass of BC increased the percentage of contaminant removal, reaching 99.3% removal of fluoride and 75.7% of As(V). In the second study, the use of HC as an adsorbent for the removal of fluoride from water was evaluated. HC was produced by hydrothermal carbonization (at 210 °C for 6 h) and showed a specific area of 113 m²/g and a composition rich in Ca, P, C and O, indicating the presence of hydroxyapatite. HC showed an increasing adsorption capacity with the initial fluoride concentration, reaching a fluoride adsorption capacity of up to 10 mg/g with initial concentrations of 60 mg/L, although the percentage removal decreased from 87% to 36% due to adsorbent saturation. These results highlight the potential of HC as a promising material for treating fluoride-contaminated water. In the third study, HC and pyrohydrochar (PHC) synthesis conditions were optimized using a D-Optimal experimental design to maximize fluoride adsorption capacity. The optimum synthesis conditions were determined to be 180 °C for 4 h for HC and 350 °C for 1 h for PHC, achieving yields of 88.4 and 96.2 % and adsorption capacities of 5.27 and 5.64 mg/g, for HC and PHC, respectively. Characterization of these materials revealed significant differences in specific area and basic site concentration. In a fourth study, two types of BC were synthesized in a rural upflow gasifier-type furnace. BCs were obtained from bones that were pretreated with a hydrogen peroxide solution (BCB) and from fish that were not treated (BCF). These carbonized materials were used in the adsorption of fluoride, with BCB standing out for its greater specific area and efficacy. Therefore, BCB was used in continuous flow columns that presented breakthrough times that decreased with increasing flow rate. The results obtained suggested that the use of rural furnaces is an economical alternative to produce BC with suitable properties for fluoride removal. Finally, in the fifth study, BC was evaluated as a fertilizer in the poblano chile crops, comparing it with phosphate rock. The BC treatments showed positive results in germination, stem diameter, number of leaves and root size, being comparable to phosphate rock in terms of efficacy. These results indicate that BC synthesis can be a viable and economical alternative to improve the growth of this type of crops. In conclusion, the use of the TLUD rural oven to produce carbonized pleco fish bones is presented as an innovative, accessible and sustainable solution, ideal for rural communities with water contamination problems. The BC proved to be effective in the adsorption of fluoride and arsenic in water, even when these contaminants coexist, thanks to their physicochemical properties and the conditions of the solution. In addition, bone char stands out as an alternative fertilizer in the poblano chile crops, since plant development was comparable to the use of phosphate rock. Comparison of synthesis methods such as TLUD and hydrothermal carbonization (HTC) highlights the economic viability of TLUD for rural communities, while HC and PHC offer better adsorbent properties under more advanced conditions. Together, these strategies address environmental and social problems by harnessing an invasive resource such as pleco fish, contributing to the development of sustainable solutions in water treatment, agriculture and ecological impact mitigation, aligned with the Sustainable Development Goals.