Distribución al diseño de sistemas magnetofluídicos para la captura de microplásticos

Abstract

Con el incremento exponencial del uso de plásticos, la presencia de fragmentos resultantes de su degradación se ha convertido en una amenaza de gran preocupación ambiental. Estos microplásticos resultantes provocan efectos negativos en los organismos acuáticos y en los seres humanos debido a su ubicuidad y actuación como vectores de otros contaminantes. Esta preocupación, ha acelerado la adopción de nuevas medidas por parte de la Unión Europea. La Directiva Europea 2024/3019 subraya la importancia de incorporar tratamientos cuaternarios en las plantas de tratamiento de aguas urbanas, así como la necesidad de desarrollar tecnologías que no solo minimicen el impacto de los microplásticos, sino que también faciliten su cuantificación para evaluar su efectividad. Este trabajo contribuye al diseño de sistemas magnetofluídicos para la captura eficiente de microplásticos. Esta estrategia requiere que los microplásticos se magneticen previamente con nanopartículas magnéticas para permitir su manipulación por medio de la aplicación de un campo magnético. Como primera aproximación, y aprovechando la experiencia previa del grupo en sistemas de recuperación magnética, se ha decidido mantener la etapa de magnetización en discontinuo, mientras que la separación magnética se realiza de manera continua. Consecuentemente, en el sistema diseñado, suspensiones de nanopartículas magnéticas y microplásticos se ponen en contacto para favorecer la adhesión. Los microplásticos magnetizados resultantes se introducen en un separador magnético al cual se aplica un campo magnético externo usando imanes permanentes, obteniendo como resultado una corriente de agua tratada. En este trabajo, se utilizan nanopartículas de magnetita y, como contaminante modelo, el poliestireno. Se ha estudiador el efecto de diversos parámetros en la formación de los agregados magnetita-microplásticos, así como la influencia de otros en la separación magnética. De esta manera, se investiga el efecto del ratio magnetita/poliestireno y tiempos de contacto en la magnetización del poliestireno, así como el caudal de alimentación de los agregados magnetita-poliestireno en la etapa de separación magnética. Con el fin de evaluar la eficiencia de captura en función de cada parámetro, el valor medido para realizar la cuantificación es la turbidez de las muestras que se obtienen tras la etapa de separación magnética. Además, este estudio va más allá, planteando la regeneración de las partículas magnéticas para su posterior reutilización en nuevos ciclos de captura. Se han caracterizado cada uno de los materiales empleados en este estudio con el fin d eestudiar su morfología, propiedades y la viabilidad de interacción entre las partículas magnéticas y los microplásticos, así como con la finalidad de verificar la correcta formación de los agregados magnetita-poliestireno y la regeneración de las partículas magnéticas. Para ello, se han realizado diversas caracterizaciones utilizando potencial Z, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y microscopía digital. El análisis del potencial Z ayudó a determinar la estabilidad de las dispersiones y la carga superficial de las partículas, factor clave para comprender las interacciones que tienen lugar durante la etapa de contacto. La espectroscopía FTIR tiene como objetivo identificar los grupos funcionales presentes en los materiales y, junto con la microscopía digital, proporciona información sobre la formación de agregados o la desorción de estos.Con el objetivo de establecer las condiciones fluidodinámicas óptimas para la separación magnética, se han realizado estudios bajo condiciones que favorecen la formación de agregados entre las partículas magnéticas y los microplásticos. En este contexto, se ha investigado la influencia del caudal en la etapa de separación magnética, evaluando cómo diferentes caudales afectan la eficiencia de captura de microplásticos. Los resultados han permitido identificar que un caudal de alimentación de 3 ml min-1 ofrece un equilibrio entre la fuerza de arrastre definida por el caudal de alimentación y la capacidad de las fuerzas magnéticas para atraer a los agregados, lo que resulta en una separación eficiente. Una vez establecidas las condiciones fluidodinámicas, se procedió a la búsqueda de las condiciones óptimas para la formación de agregados entre la magnetita y los microplásticos en la etapa de contacto, realizando un estudio detallado sobre la influencia del ratio magnetita/microplásticos y el tiempo de contacto. Como resultado de estos experimentos, se obtuvo que el ratio 0,05:1 y un tiempo de contacto de 2 minutos permitieron obtener un valor de eficiencia de captura del 86%. Finalmente, se ha evaluado la viabilidad de regeneración de las partículas magnéticas para su reutilización en ciclos posteriores de captura. Para ello, se han probado diferentes agentes de desorción, como NaCl y urea, con el fin de determinar cuál ofrece mejores resultados en términos de recuperación de las partículas magnéticas y su capacidad de unión a los microplásticos. Los experimentos de regeneración han revelado que, a diferencia de la urea, el NaCl permite regenerar las partículas magnéticas sin alterar sus propiedades superficiales y, por tanto, su capacidad de captura en ciclos posteriores, lo que sugiere que este tratamiento podría ser una opción viable para garantizar la reutilización de las partículas magnéticas. Las partículas regeneradas se han utilizado en tres ciclos sucesivos de captura, obteniendo valores de eficiencia de captura similares a los del primer ciclo, lo que indica que el proceso de regeneración es efectivo y no afecta significativamente las propiedades de las partículas, permitiendo su reutilización sin pérdida de rendimiento. Los resultados obtenidos en este estudio inicial muestran el gran potencial de la tecnología de separación magnética como una herramienta prometedora para la captura y eliminación de microplásticos en aguas residuales. Aunque los experimentos realizados han sido preliminares, los avances en la optimización de parámetros clave como la formación de agregados y la regeneración de partículas magnéticas han proporcionado información valiosa para futuras investigaciones. Este estudio representa un primer acercamiento a la aplicación de esta tecnología, y se planea continuar con su desarrollo y optimización en un proyecto posterior, con el objetivo de avanzar hacia soluciones más eficientes y escalables para la eliminación de microplásticos en las plantas de tratamiento de aguas residuales

With the exponential increase in plastic use, the presence of fragments resulting from their degradation (microplastics) has become a significant environmental threat. Microplastics have negative effects on aquatic organisms and humans due to their ubiquity and role as vectors for other pollutants. This concern has accelerated the adoption of new measures by the European Union. European Directive 2024/3019 emphasizes the importance of incorporating quaternary treatments in urban wastewater treatment plants, as well as the need to develop technologies that not only minimize the impact of microplastics but also facilitate their quantification to assess their effectiveness. This work contributes to the design of magnetofluidic systems for the efficient capture of microplastics. This strategy requires pre-magnetizing microplastics with magnetic nanoparticles to enable their manipulation via the application of a magnetic field. As a first approach and leveraging the group’s previous experience in magnetic recovery systems, it was decided to maintain the magnetization stage in batch mode, while magnetic separation is performed continuously. In the designed system, suspensions of magnetic nanoparticles and microplastics are brought into contact to promote adhesion. The resulting magnetized microplastics are introduced into a magnetic separator, where an external magnetic field is applied using permanent magnets, resulting in a stream of treated water. In this work, magnetite nanoparticles are used, and polystyrene is employed as a model contaminant. The effect of various parameters on the formation of magnetite-microplastic aggregates and the influence of other factors on magnetic separation are studied. Specifically, the effect of the magnetite/polystyrene ratio and contact times on the magnetization of polystyrene, as well as the flow rate of the magnetite-polystyrene aggregates during the magnetic separation stage, are investigated. To evaluate capture efficiency as a function of each parameter, turbidity is measured for quantification purposes. Furthermore, this study goes beyond by considering the regeneration of magnetic particles for subsequent reuse in new capture cycles. Each material used in this study was characterized to examine its morphology, properties, and the feasibility of interaction between magnetic particles and microplastics, as well as to verify the proper formation of magnetite-polystyrene aggregates and the regeneration of magnetic particles. Several characterizations were conducted using Z-potential, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and digital microscopy. Z-potential analysis helped determine the stability of dispersions and the surface charge of particles, a key factor in understanding the interactions occurring during the contact stage. FTIR spectroscopy aimed to identify functional groups present in the materials and, together with digital microscopy, provided information about the formation of aggregates or their desorption. To establish the optimal fluid dynamic conditions for magnetic separation, studies were carried out under conditions favoring aggregate formation between magnetic particles and microplastics. In this context, the influence of flow rate in the magnetic separation stage was investigated, evaluating how different flow rates affect the efficiency of microplastic capture. The results allowed the identification of a feed flow rate of 3 ml min- 1, which provides a balance between drag force defined by the feed flow rate and the magnetic forces’ ability to attract aggregates, resulting in efficient separation. Once fluid dynamic conditions were established, the optimal conditions for the formation of aggregates between magnetite and microplastics during the contact stage were sought, performing a detailed study of the influence of the magnetite/microplastic ratio and contact time. As a result of these experiments, a ratio of 0.05:1 and a contact time of 2 minutes were found to yield a efficiency value of 86%. Finally, the feasibility of regenerating magnetic particles for reuse in subsequent capture cycles was evaluated. Different desorption agents, such as NaCl and urea, were tested to determine which offered the best results in terms of recovery of magnetic particles and their ability to bind to microplastics. Regeneration experiments revealed that NaCl, unlike urea, regenerates the magnetic particles without altering their surface properties, maintaining their capture capacity in subsequent cycles, suggesting that this treatment could be a viable option for ensuring the reuse of magnetic particles. The regenerated particles were used in three successive capture cycles, achieving capture efficiency values similar to the first cycle, indicating that the regeneration process is effective and does not significantly affect the properties of the particles, allowing for reuse without performance loss. The results obtained in this initial study demonstrate the significant potential of magnetic separation technology as a promising tool for capturing and removing microplastics from wastewater. Although the experiments conducted were preliminary, advancements in optimizing key parameters such as aggregate formation and the regeneration of magnetic particles have provided valuable information for future research. This study represents an initial approach to applying this technology, and plans are in place to continue its development and optimization in a subsequent project, with the aim of advancing toward more efficient and scalable solutions for microplastic removal in wastewater treatment plants.