Valorización de residuos municipales y agroindustriales mediante conversión en carbones activados para aplicaciones de almacenamiento de energía y remediación ambiental

Abstract

El crecimiento acelerado de la población mundial y el aumento del consumismo han provocado un incremento exponencial en la generación de residuos de diversa tipología, incluyendo los residuos municipales y agroindustriales. Los primeros proceden principalmente de actividades domésticas y urbanas, mientras que los segundos se generan en procesos agrícolas y en el procesamiento de alimentos. Estos residuos, que contienen una alta carga orgánica e inorgánica, representan un desafío ambiental importante debido a su acumulación y los efectos adversos asociados, como la contaminación del aire, el suelo y el agua. Su gestión inadecuada agrava los problemas ambientales y de sostenibilidad, lo que fomenta la necesidad de desarrollar estrategias de valorización. La conversión de estos residuos en productos de alto valor añadido y materiales funcionales destaca como una alternativa viable para avanzar hacia una economía circular, reduciendo el impacto ambiental y promoviendo el uso de recursos sostenibles en sustitución de los derivados de recursos fósiles. Los lodos de depuradora y el alpeorujo son ejemplos representativos de residuos municipales y agroindustriales, respectivamente, cuya generación masiva y características particulares plantean un gran reto. En concreto, los lodos de depuradora son un residuo generado en las estaciones de tratamiento de aguas residuales como resultado de los procesos físicos, químicos y biológicos. Su composición varía en función del origen del agua tratada, así como del tratamiento aplicado, pero generalmente suele incluir una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos. Por su parte, el alpeorujo es un subproducto semi sólido obtenido tras la extracción de aceite de oliva, compuesto por pulpa, agua y huesos de oliva. Es un material rico en grasas, fibra y polifenoles, pero debido a su alta carga orgánica puede presentar problemas ambientales si no se gestiona adecuadamente. En este contexto, en la presente Tesis Doctoral, se ha estudiado la conversión de lodos de depuradora y alpeorujo en carbones activados como una estrategia eficiente para su gestión y valorización. Los carbones activados son materiales con elevada área superficial y propiedades idóneas para diversas aplicaciones industriales, promoviendo tanto la sostenibilidad como la economía circular. En particular, esta investigación ha evaluado la eficacia de los carbones activados obtenidos a partir de estos residuos en dos aplicaciones clave: su uso en baterías de litio-azufre (Li-S) y la adsorción de contaminantes emergentes en el agua, siendo en este caso seleccionado el bisfenol A (BPA) como objeto de estudio. En el caso de las baterías de Li-S, los carbones activados desempeñan un papel esencial como adsorbentes de polisulfuros, mejorando el rendimiento electroquímico y la estabilidad de estas baterías. Por otro lado, el BPA, compuesto utilizado en la fabricación de plásticos, es un contaminante persistente con efectos adversos sobre los ecosistemas acuáticos debido a su toxicidad y resistencia a la degradación. La alta superficie específica y la estructura porosa de los carbones activados los convierten en una solución eficaz para la eliminación eficiente de estos contaminantes, proporcionando una alternativa sostenible para el tratamiento de aguas residuales y fomentando la economía circular del proceso. Los resultados de esta investigación destacan la valorización de residuos mediante la producción de carbones activados de alta calidad, mejorando su gestión y promoviendo tecnologías sostenibles. Su aplicación en baterías de Li-S impulsa sistemas de almacenamiento de energía más eficientes, mientras que su eficacia en la adsorción de contaminantes emergentes refuerza su utilidad en el tratamiento de aguas. Estos hallazgos evidencian el valor estratégico de los residuos y el papel clave de la economía circular en soluciones innovadoras con impacto positivo tanto en el medio ambiente como en la industria tecnológica.

The accelerated growth of the world population and the rise of consumerism have led to an exponential increase in the generation of various types of waste, including municipal and agro-industrial residues. The former mainly originate from domestic and urban activities, while the latter are generated during agricultural processes and food processing. These wastes, which contain a high organic and inorganic load, represent a significant environmental challenge due to their accumulation and the associated adverse effects, such as air, soil, and water pollution. Their inadequate management worsens environmental and sustainability issues, fostering the need to develop valorization strategies. The conversion of these wastes into high value-added products and functional materials stands out as a viable alternative to advance toward a circular economy, reducing environmental impact and promoting the use of sustainable resources instead of those derived from fossil sources. Sewage sludge and olive pomace are representative examples of municipal and agro-industrial residues, respectively, whose massive generation and particular characteristics pose a great challenge. Specifically, sewage sludge is a waste generated at wastewater treatment plants as a result of physical, chemical, and biological processes. Its composition varies depending on the origin of the treated water as well as the treatment applied, but generally includes a complex mixture of organic and inorganic compounds. On the other hand, olive pomace is a semi-solid by-product obtained after the extraction of olive oil, consisting of pulp, water, and olive stones. It is a material rich in fats, fiber, and polyphenols, but due to its high organic load it may present environmental problems if not properly managed. In this context, the present Doctoral Thesis has studied the conversion of sewage sludge and olive pomace into activated carbons as an efficient strategy for their management and valorization. Activated carbons are materials with high surface area and properties suitable for various industrial applications, promoting both sustainability and the circular economy. In particular, this research has evaluated the effectiveness of activated carbons obtained from these wastes in two key applications: their use in lithium-sulfur (Li-S) batteries and the adsorption of emerging water pollutants, in this case selecting bisphenol A (BPA) as the study target. In the case of Li-S batteries, activated carbons play an essential role as polysulfide adsorbents, improving the electrochemical performance and stability of these batteries. On the other hand, BPA, a compound used in the manufacture of plastics, is a persistent pollutant with adverse effects on aquatic ecosystems due to its toxicity and resistance to degradation. The high specific surface area and porous structure of activated carbons make them an effective solution for the efficient removal of such pollutants, providing a sustainable alternative for wastewater treatment and promoting the circular economy of the process. The results of this research highlight the valorization of waste through the production of high-quality activated carbons, improving their management and promoting sustainable technologies. Their application in Li-S batteries boosts more efficient energy storage systems, while their effectiveness in the adsorption of emerging contaminants reinforces their usefulness in water treatment. These findings demonstrate the strategic value of waste and the key role of the circular economy in innovative solutions with a positive impact on both the environment and the technology industry.