Tailoring activated carbons as catalyst for catalytic wet air oxidation of phenol

Since the development of industrial activities in the whole world and specially nowadays, the access to clean water is more and more difficult. Over the past century our water consumption increased tenfold and, according to the World Health Organization, 1.1 thousand million people have no access to clean drinking water, while 2.4 thousand million lack proper sanitary provision. In addition, only 0.8 % of the world stock of water is actually fresh water, so that serious considerations on the availability of a constant supply of fresh water should be done. With this in mind, the need to have different techniques available to treat wastewater arises as a main concern, considering the great variety of chemical industries and activities than can produce contaminated effluents. Therefore, the detoxification of polluted water and its recycling when possible is mandatory for a sustainable and sustained development.For wastewater containing low to medium pollutant load, Catalytic Wet Air Oxidation (CWAO) yielded satisfactory results in laboratory studies, with the advantage that relatively mild operating conditions are needed, leading to lower investment and operation costs. Some activated carbons (AC) have been successfully used as catalyst in the CWAO of phenol in a trickle bed reactor (TBR) configuration. However, the reason for the catalytic activity of AC in CWAO is not yet completely understood. The objective of this work is to identify properties potentially responsible for the catalytic activity shown by some carbonaceous materials. With this goal, eight commercial activated carbons were tested as received and modified by several means (thermal treatment, acid wash and metal impregnation) and its catalytic performance evaluated in the oxidation of phenol. These modifications intended to highlight the effect of the surface oxygen functionalities, textural properties, i.e. surface area and pore volume, and iron (and other metals) content. Simultaneously, the activated carbons were physically and chemically characterised. The results confirm the hypothesis that mineral matter, specifically iron, is mainly responsible for the catalytic behaviour of activated carbons in the CWAO of phenol. However, having iron is not enough to be catalytically active in this reaction. It is necessary iron to be actually available in the carbonaceous matrix and in an appropriate state. Some final attempts for preparing tailored activated carbon from different raw sources still failed due to the lack of iron availability in the carbon matrix or the low mechanical stability of the material.The findings described in this PhD thesis open the doors for a better designing of tailored activated carbons from costless raw materials, allowing cheaper catalytic activated carbons to be available for wet oxidation of phenol. This fact should contribute to the wider implementation of CWAO for recovering polluted aqueous effluents that are reluctant to biotreatment.Debido al marcado desarrollo que han tenido las actividades industriales en el mundo, el acceso al agua potable es cada vez más difícil. Durante el último siglo el consumo mundial de agua se ha incrementado 10 veces y de acuerdo con información de la Organización Mundial de la Salud 1.1 miles de millones de personas no tienen acceso a agua potable y 2.4 miles de millones no disponen de las condiciones sanitarias apropiadas. Adicionalmente, sólo 0.8% de la reserva global de agua es apta para el consumo humano, por lo que serias medidas deben ser tomadas para garantizar un suministro constante de agua a la humanidad. Surge entonces como una necesidad, disponer de diferentes tecnologías de tratamientos de aguas residuales, especialmente considerando la gran variedad de industrias químicas existentes hoy en día, cuyos desechos son, en la mayoría de los casos, no sólo contaminantes sino también tóxicos para los seres vivos. Finalmente, es necesaria la purificación de los efluentes industriales para su posible reutilización si se pretende garantizar el desarrollo sustentable de la sociedad.La oxidación húmeda catalítica con aire (CWAO) es un tratamiento que ha demostrado ser eficiente para el tratamiento de aguas residuales con cargas orgánicas bajas o medias. Esta técnica posee la ventaja de ser eficiente incluso operando en condiciones moderadas de temperaturas y presión, lo que se refleja en bajos costos de instalación y mantenimiento. Si adicionalmente, el catalizador utilizado es de bajo coste, este tipo de tratamiento podría promoverse más fácilmente. Algunos carbones activos comerciales han sido empleados exitosamente como catalizadores en la CWAO de fenol en un reactor de lecho fijo de goteo. Sin embargo, las razones por las que este material presenta actividad catalítica no han sido completamente esclarecidas. Algunos estudios preliminares han demostrado que al realizar modificaciones en las propiedades de los carbones que presentan capacidad catalítica, generalmente se produce también una disminución en su capacidad para oxidar fenol.Por esto, el objetivo de este trabajo de investigación es identificar las propiedades potencialmente responsables de la actividad catalítica del carbón activo. Para ello, se utilizaron ocho carbones activos. Los mismos fueron modificados mediante diferentes tratamientos. Los carbones originales y todas las muestras resultantes de las modificaciones fueron utilizados como catalizadores en la oxidación del fenol, con el objetivo de evaluar el impacto de parámetros como las propiedades físicas (área superficial y porosidad), el contenido de grupos funcionales oxigenados y el contenido de hierro y otros metales en la actividad catalítica.Los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que el contenido de hierro es un parámetro determinante que otorga capacidad catalítica al carbón activo. También se demostró que la disminución de grupos superficiales oxigenados mejora la capacidad de adsorción de fenol, obteniéndose mayor eliminación de este compuesto en efluentes líquidos. Finalmente, mediante técnicas de impregnación de metales, puede dotarse de actividad catalítica a materiales carbonosos que, por su origen, no la poseen pudiendo ser utilizados efectivamente en el tratamiento de aguas residuales