Thesis & Projects

El elevado uso de antibióticos a nivel mundial hace necesario el desarrollo de métodos más eficientes que los actuales para su eliminación en aguas residuales. En esta tesis se investigan procesos de oxidación avanzada en los que se emplean catalizadores y electrodos fabricados mediante impresión 3D. Los catalizadores se utilizaron para activar oxidantes como peróxido de hidrógeno y persulfato, generando radicales altamente reactivos capaces de degradar antibióticos. Los electrodos se emplearon para la producción electroquímica de estos oxidantes, con el objetivo de sustituir los reactivos comerciales por alternativas generadas de forma sostenible. En una primera etapa, se sintetizaron nanopartículas tipo ferrita mediante la vía electroquímica, que se evaluaron como catalizadores en sistemas por lotes en presencia de persulfato comercial. Se estudió su actividad, estabilidad y la influencia de las condiciones de operación, estableciendo relaciones entre sus propiedades y su comportamiento en la degradación de antibióticos. Entre los materiales analizados, las nanopartículas de magnetita (Fe3O4) mostraron las mejores prestaciones. Posteriormente, estas nanopartículas de Fe3O4 se integraron en matrices de ácido poliláctico (PLA) para la impresión en 3D de catalizadores monolíticos. Asimismo, se fabricaron monolitos impresos a partir de filamentos comerciales que contenían micropartículas de Fe y Cu metálicos. Los monolitos se caracterizaron y evaluaron como catalizadores en reactores en continuo para la eliminación de antibióticos utilizando oxidantes de origen comercial. Se estudió la estabilidad de los sistemas en tiempos prolongados de operación continua, así como los mecanismos de reacción y su aplicación en aguas residuales reales. Los monolitos basados en Fe3O4 destacaron por su elevada estabilidad y baja liberación de hierro al medio. Una vez conocidas sus buenas propiedades en sistemas monolíticos, el material Fe3O4@PLA se utilizó en un reactor de lecho empaquetado en el que se incrementó significativamente el área catalítica. 11Además, se aplicó el calentamiento por inducción magnética en los sistemas continuos basados en materiales de hierro, intensificando los procesos catalíticos. Este calentamiento mejoró las eficiencias de degradación en su aplicación en continuo y permitió reactivar los catalizadores en aplicaciones por pulsos. En paralelo, se fabricaron electrodos impresos en 3D para la electrogeneración de oxidantes con el fin de sustituir a los reactivos comerciales. Estos electrodos se prepararon a partir de mezclas de PLA con materiales carbonosos y mostraron buena actividad en la producción de peróxido de hidrógeno mediante reducción de oxígeno. Sin embargo, no mostraron una actividad adecuada en la producción electroquímica de persulfato. La electrogeneración de persulfato se llevó a cabo mediante ánodos comerciales de diamante dopado con boro y se estudió la competencia en la formación anódica de persulfato y peróxido de hidrógeno. Finalmente, los oxidantes generados de forma electroquímica se integraron con los sistemas catalíticos optimizados, alcanzando elevadas eficiencias en la eliminación de antibióticos y evidenciando la viabilidad de la sustitución de los oxidantes comerciales. La combinación de impresión 3D, electrogeneración de oxidantes y procesos Fenton-like constituye una aproximación original y ambientalmente relevante, que permite diseñar sistemas catalíticos estables, versátiles y potencialmente escalables para el tratamiento de aguas residuales.

Initial date: 2017. Dissertation date: 2020. Publicaciones derivadas de la Tesis: 2.

En los últimos años el estudio y aplicación de las nanopartículas magneto-plasmónicas ha despertado un enorme interés en la comunidad científica. El uso de este tipo de materiales en aplicaciones biomédicas abre la puerta a un gran número de nuevas técnicas de diagnóstico y tratamiento. Sin embargo existe una carencia de materiales biocompatibles que presenten propiedades magneto-plasmónicas adecuadas. En la presente tesis se abordará en primer lugar la síntesis y caracterización de estructuras magneto-plasmónicas híbridas basadas en nanocilindros de Au, nanopartículas magnéticas de diferentes ferritas y sílice. La síntesis de estas nanoestructuras se realizó desarrollando un nuevo método de hibridación que aprovecha el entrecruzamiento que tiene lugar entre las moléculas de polietilenglicol y el ácido cítrico cuando se incluyen en los procesos de crecimiento de sílice como mecanismo de autoensamblado. Para ello la superficie de los nanocilindros de Au y de las nanopartículas de ferritas fueron recubiertas con polietilenglicol y ácido cítrico respectivamente y sometidas a un proceso de silanización conjunta. La estructura obtenida al final del proceso consiste en una geometría núcleo-satélite con los nanocilindros de Au en el centro y las nanopartículas de ferrita alrededor embebidas en una matriz de sílice. La síntesis individual de los componentes magnético y plasmónico, permitió ajustar individualmente sus propiedades antes de ser hibridizados en una estructura común. Sin embargo, aunque este tipo de nanoestructuras evitan la intercara entre las fases, aparece un cierto grado de interacción que obliga a considerar los posibles cambios en las propiedades magneto-plasmónicas del material resultante... In the recent years, magneto-plasmonic nanoparticles have attracted increasing attention from the scientific community due to their promising properties and high applicability. Thanks to the development of new synthesis routes, it has been possible to use this kind of nanostructures in different biomedical applications such as dual imaging, combined treatments or biodetection. However, there is still a lack of biocompatible materials with suitable magneto-plasmonic features to translate all these advances to clinical studies. In this thesis, I propose a new sythesis to produce hybrid magneto-plasmonic nanoparticles based on Au nanorods, ferrite nanospheres and silica. The synthesis developed takes advantage of the cross-linking process between polyethilenglycol and citric acid during sol-gel reactions of sylanization, to drive the self-assembly between Au nanorods and ferrite nanospheres. Following such method, it was possible to obtain hybrid nanostructures composed by a Au nanorod in the core and ferrite nanospheres in satellite positions imbibed in a silica matrix. The individual synthesis of the components before hybridization enabled the fine tuning of their magnetic and plasmonic properties. Besides in this geometry there are not common interfaces between Au and ferrite, avoiding a direct interaction between them. However, due to the close proximity of the phases, it was important to study the effect of the short-distance interaction in the magneto-plasmonic properties...