Circular Economy on Hybrid Materials: Design for Pollution Prevention, Application and Functional Reuse

Abstract

[Abstract] In this study, several materials were developed using low-cost components such as silicates and aquaculture residues, including algal biomass. The aim was to evaluate the effectiveness of the materials both for water decontamination and for their potential reuse. The systems were designed following a circular economy approach, revalorising low-cost by-products through sustainable synthesis processes. In the first line of research, materials based on polymerised silica impregnated with zero-valent iron (Fe0) were synthesised. These were capable of efficiently removing hexavalent chromium (Cr(VI)).The materials exhibited structural stability across a wide range of pH, temperature and salinity conditions. Furthermore, the possibility of regenerating the materials through desorption and re-functionalisation with iron and plant extracts was validated, allowing their reuse without significant loss of efficiency. In the second line of work, the material composed of silica gel and iron was used to capture phosphorus in the form of phosphate ions, with the same structural stability as observed in the Cr(VI) studies.

[Resumen] En este trabajo se han desarrollado diferentes materiales a partir de elementos de bajo coste como silicatos o residuos de acuicultura como la biomasa de algas. Como objetivo se estableció evaluar la eficacia de los materiales desarrollados tanto en la descontaminación de aguas, como su potencial reaprovechamiento. Los sistemas diseñados responden a un enfoque de economía circular, revalorizando subproductos de bajo coste mediante procesos de síntesis sostenibles. En una primera línea de investigación, se sintetizaron materiales basados en sílice polimerizada impregnada con hierro cero valente (Fe0), capaces de eliminar eficientemente cromo hexavalente (Cr(VI)). Los materiales mostraron elevadas capacidades de adsorción, así como estabilidad estructural en amplios rangos de pH, temperatura y salinidad. Adicionalmente, se validó la posibilidad de regenerar los materiales mediante tratamientos de desorción y re-funcionalización con Fe y con extractos vegetales, permitiendo su reutilización sin pérdidas significativas de eficacia. En una segunda línea, el material desarrollado a partir de gel de sílice y Fe se empleó para la captación de fósforo en forma de iones fosfato, con la misma estabilidad estructural que en los estudios de Cr(VI).

[Resumo] Neste traballo desenvolvéronse diferentes materiais a partir de elementos de baixo custo como silicatos ou residuos da acuicultura, como a biomasa de algas. Como obxectivo estableceuse avaliar a eficacia dos materiais desenvolvidos tanto na descontaminación de augas como no seu potencial reaproveitamento. Os sistemas deseñados responden a un enfoque de economía circular, revalorizando subprodutos de baixo custo mediante procesos de síntese sostibles. Nunha primeira liña de investigación, sintetizáronse materiais baseados en sílice polimerizada impregnada con ferro en estado cero valente (Fe0), capaces de eliminar eficientemente cromo hexavalente (Cr(VI)). Os materiais amosaron elevadas capacidades de adsorción, así como estabilidade estrutural en amplos rangos de pH, temperatura e salinidade. Ademais, validouse a posibilidade de rexenerar os materiais mediante tratamentos de desorción e re-funcionalización con Fe e con extractos vexetais, permitindo a súa reutilización sen perdas significativas de eficacia. Nunha segunda liña, o material desenvolvido a partir de xel de sílice e Fe empregouse para a captación de fósforo en forma de ións fosfato, mantendo a mesma estabilidade estrutural que nos estudos con Cr(VI).