Diseño de dispositivos impresos en 3D para la extracción y degradación de contaminantes ambientales

Résumé

La impressió 3D ha estat identificada com una de les tecnologies clau per al desenvolupament de nous productes i serveis i, si bé s'està utilitzant cada vegada més per a fins científics, les possibilitats enormes d'aquesta tecnologia en camps com el de la Química han estat a penes explotades. Una de les limitacions en l'aplicació de dispositius impresos en 3D per a la separació i l'eliminació de contaminants és la baixa àrea superficial dels mateixos. Així, aquesta Tesi Doctoral s'ha centrat en l'estudi de la incorporació de materials porosos, d'elevada àrea superficial, a suports impresos en 3D per a la millora de les seves característiques texturals i propietats d'adsorció i l'aplicació dels dispositius així obtinguts a la extracció i degradació de contaminants ambientals d’interès. El recobriment s'ha dut a terme mitjançant tres tècniques diferents: deposició i fixació per curat UV, deposició mitjançant l'ús de tintes i calcinació directa sobre el dispositiu. En primer lloc, s'ha desenvolupat un procediment senzill i molt versàtil per incorporar un carbó derivat d'un polímer hiperentrecreuat a un suport imprès en 3D, que consisteix, simplement, en la posada en contacte del material i el suport a la fase prèvia del curat d'aquest darrer, en què la superfície és tova i adherent. El dispositiu final obtingut ha estat utilitzat com a agitador magnètic per a l'extracció de rodamina B, i ha demostrat gran capacitat d'extracció (1,04 g m-2) i una reciclabilitat excel·lent, i es pot reutilitzar per més de 10 cicles consecutius. En segon lloc, s'ha optimitzat la preparació de tintes mitjançant la barreja d'una xarxa metal·loorgànica ZIF-67 i una dispersió de fluorur de polivinilidè (PVDF) en dimetilformamida, que han estat posteriorment utilitzades per al recobriment homogeni de suports fabricats mitjançant impressió 3D. Els dispositius així preparats han estat utilitzats per a la degradació catalítica, usant peroximonodisultat com a agent oxidant, de diferents colorants orgànics, aconseguint la completa degradació dels mateixos en menys de 30 minuts. Els dispositius són a més reutilitzables i reproduïbles entre si. De la mateixa manera, s'ha recobert una columna impresa en 3D amb ZIF-67 per a la degradació de rodamina B en flux i s'ha demostrat que el dispositiu preparat és capaç de catalitzar eficientment la degradació de fins a 500 mL de mostra a un cabal de 2 mL min-1, podent a més treballar a fluxos molt elevats sense que s'hagin detectat problemes de sobrepressió. Finalment, mitjançant impressió 3D, s'han fabricat suports ceràmics robusts i amb una major estabilitat, tant tèrmica com química, que han estat recoberts amb una capa de PVDF per, mitjançant escalfament posterior en atmosfera inert, obtenir de forma senzilla i directa un dispositiu recobert amb un carbó porós. Els dispositius preparats així han estat avaluats per a l'extracció de bisfenol A, mostrant una ràpida cinètica d'adsorció, alta capacitat d'extracció (122,5 mg g-1) i excel·lent reusabilitat, mantenint una capacitat d'extracció superior al 90% després de 10 cicles d’extracció consecutius. Els dispositius han demostrat també ser eficients en l'extracció, individual o simultània, d'altres contaminants com són: 4-tert-butilfenol, 4-tert-octilfenol, diclofenac, acetaminofè, ibuprofè, verd de malaquita i blau de metilè, fins i tot en mostres reals d’aigua de pou i aigua residual.