| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
A causa de l'augment de la contaminació a escala mundial, les eines de monitoratge i els processos de tractament de residus s'han convertit en una necessitat urgent. Els contaminants trobats en gasos i efluents industrials i urbans presenten greus efectes ambientals i toxicològics, a més de contenir potencials fonts d'energia o matèries primeres recuperables. Per a solucionar aquests problemes, s'estan investigant noves estratègies de transformació de contaminants les quals requereixen d'un estricte control i seguiment. Gràcies a les innovacions en sensors electroquímics i electrònica impresa, i la combinació de totes dues per a l'obtenció de sensors miniaturitzats, actualment és possible dissenyar i fabricar eines analítiques adaptades específicament a les necessitats de cada procés. Els sensors electroquímics fabricats per a monitorar reactors han d'incorporar tots els elèctrodes necessaris per a realitzar la mesura, ser capaços d'analitzar en l'interval de concentració i en presència dels interferents amb la mínima preparació de mostra, mantenir la seva resposta estable per llargs períodes de temps i adaptar-se morfològicament per a introduir-se en el reactor. Entre els contaminants més importants de tractar, els que irrompen en els cicles naturals (carboni, nitrogen, sofre i fòsfor) són els prioritaris. En particular, la transformació de gasos SOx en bio-S0 recuperable, l'eliminació de gasos NOx i ions NO3- i la recuperació d'NH4+ són els processos per als quals s'han fabricat per impressió, modificat i optimitzat sensors en aquesta tesi. En la primera part d'aquesta tesi, les tecnologies d'impressió basades en el mètode de drop on demand com són inkjet printing i direct ink writing s'han utilitzat per a imprimir elèctrodes de grafit i plataformes que incorporaven elèctrodes de referència i contraelèctrodes. Els elèctrodes de treball es van modificar per a millorar la seva resposta cap als anàlits d'interès i juntament amb els elèctrodes incorporats van resultar en sensors integrables en els reactors per als quals es van dissenyar. Concretament, els elèctrodes de grafit es van modificar amb una dispersió de nanotubs de carboni monocapa i poliàcid làctic per a obtenir sensors amperomètrics per a H2S, amb òxids d'iridi mixtos per a mesures potenciomètriques de pH i amb un còctel sensors selectiu a NO3- que consisteix en una membrana de policlorur de vinil dopada amb un ionòfor per al seguiment potenciomètric d'ió nitrit. Els sensors d'H2S i pH es van combinar en una plataforma per a una prova de concepte en el monitoratge d'un reactor sulfat-reductor. En la segona part, s'ha optimitzat la impressió en 3D de fabricació per filament fos i l'activació d'elèctrodes de carbon black en poliàcid làctic. Els elèctrodes impresos s'incorporen en plataformes compactes per a posteriorment ser modificats a sensors concrets. Utilitzant els òxids d'iridi mixtos es van fabricar sensors potenciomètrics de pH per a un bioreactor de recuperació d'NH4+, obtenint característiques comparables als sensors produïts per direct ink writing. Finalment, un disseny compacte es va fabricar per a mesurar H2 dissolt a altes pressions en un reactor sulfat-reductor, resultant en propietats millors que les alternatives actualment disponibles comercialment. |
| Resumen: |
Debido al aumento de la contaminación a escala mundial, las herramientas de monitorización y los procesos de tratamiento de residuos se han convertido en una necesidad urgente. Los contaminantes encontrados en gases y efluentes industriales y urbanos presentan graves efectos ambientales y toxicológicos, además de contener potenciales fuentes de energía o materias primas recuperables. Para solucionar estos problemas, se están investigando nuevas estrategias de transformación o recuperación de contaminantes las cuales requieren de un estricto control y seguimiento. Gracias a las innovaciones en sensores electroquímicos y electrónica impresa, y la combinación de ambas para la obtención de sensores miniaturizados, actualmente es posible diseñar y fabricar herramientas analíticas adaptadas específicamente a las necesidades de cada proceso. Los sensores electroquímicos fabricados para monitorizar reactores deben incorporar todos los electrodos necesarios para realizar la medida, ser capaces de analizar en el intervalo de concentración y en presencia de los interferentes con la mínima preparación de muestra, mantener su respuesta estable por largos periodos de tiempo y adaptarse morfológicamente para introducirse en el reactor. Entre los contaminantes más importantes de tratar, los que disrumpen los ciclos naturales (carbono, nitrógeno, azufre y fósforo) son los prioritarios. En particular, la transformación de gases SOx en bio-S0 recuperable, la eliminación de gases NOx e iones NO3- y la recuperación de NH4+ son los procesos para los que se han fabricado por impresión, modificado y optimizado sensores en esta tesis. En la primera parte de esta tesis, las tecnologías de impresión basadas en el método de drop on demand como son inkjet printing y direct ink writing se han utilizado para imprimir electrodos de grafito y plataformas que incorporaban electrodos de referencia y contraelectrodos. Los electrodos de trabajo se modificaron para mejorar su respuesta hacia los analitos de interés y junto con los electrodos incorporados resultaron en sensores integrables en los reactores para los que se diseñaron. Concretamente, los electrodos de grafito se modificaron con una dispersión de nanotubos de carbono monocapa y poliácido láctico para obtener sensores amperométricos para H2S, con óxidos de iridio mixtos para medidas potenciométricas de pH y con un cóctel sensor selectivo a NO3- que consiste en una membrana de policloruro de vinilo modificada con un ionóforo para el seguimiento potenciométrico de ion nitrato. Los sensores de H2S y pH se combinaron en una plataforma para una prueba de concepto en la monitorización de un lavador sulfato-reductor. En la segunda parte, se ha optimizado la impresión en 3D de fabricación por filamento fundido y la activación de electrodos de carbon black en poliácido láctico. Los electrodos impresos se incorporan en plataformas compactas para posteriormente ser modificados a sensores concretos. Utilizando los óxidos de iridio mixtos se fabricaron sensores potenciométricos de pH para un biorreactor de recuperación de NH4+, obteniendo características comparables a los sensores producidos por direct ink writing. Finalmente, un diseño compacto se fabricó para medir H2 disuelto a altas presiones en un reactor sulfato-reductor, resultando en propiedades mejores que las alternativas actualmente disponibles comercialmente. |
| Resumen: |
Due to the increase in pollution worldwide, monitoring tools and waste treatment processes have become an urgent necessity. Pollutants found in industrial and urban gases and effluents produce serious environmental and toxicological effects, whilst being potential new sources of energy or recoverable raw materials. To solve these problems, new strategies for transforming or recovering pollutants are being devised, which require strict control and monitoring. Thanks to innovations in electrochemical sensors and printed electronics, and their combination for obtaining miniaturized sensors, it is now feasible to design and manufacture analytical tools specifically tailored to the needs of each process. Electrochemical sensors fabricated to monitor reactors must incorporate all the electrodes necessary to make the measurement, be capable of analyzing in the concentration range and in the presence of interferents with minimal sample preparation, maintain a stable response over long periods of time, and be morphologically adapted to introduce them into the reactor. Among the most important pollutants to treat, those that disrupt natural cycles (carbon, nitrogen, sulfur, and phosphorus) are the priority. In particular, the transformation of SOx gases into recoverable bio-S0, the elimination of NOx gases and NO3- ions and the recovery of NH4+ as fertilizers are the processes for which sensors have been fabricated by printing, modified, and optimized in this thesis. The first part of this thesis is focused on printing technologies based on the drop-on-demand method, such as inkjet printing and direct ink writing. These have been used to print graphite electrodes and platforms, incorporating reference electrodes and counter electrodes. The working electrodes have been modified to improve their response to the analytes of interest. Coupled with the incorporated electrodes, this resulted in sensors that could be integrated into the reactors for which they were designed. Specifically, the graphite electrodes were modified with a dispersion of single-layer carbon nanotubes and polylactic acid to obtain amperometric sensors for H2S. Also electrodeposited with mixed iridium oxides for potentiometric pH measurements, Lastly, a cocktail based on polyvinyl chloride membrane modified with an ionophore were deposited on top in order to monitor NO3-. The H2S and pH sensors were combined on a platform for proof of concept in the monitoring of a sulfate-reducing reactor. In the second part, 3D printing using fused filament fabrication and the activation of carbon black electrodes in polylactic acid have been optimized. The printed electrodes are incorporated into compact platforms to be subsequently modified into specific sensors. Using mixed iridium oxides, potentiometric pH sensors were fabricated for an NH4+ recovery reactor, obtaining characteristics comparable to sensors produced by direct ink writing. Finally, a compact design was manufactured to measure dissolved H2 at high pressures in a sulfate-reducing reactor, resulting in properties superior to those of commercially available alternatives. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Química |
| Derechos: |
Aquest material està protegit per drets d'autor i/o drets afins. Podeu utilitzar aquest material en funció del que permet la legislació de drets d'autor i drets afins d'aplicació al vostre cas. Per a d'altres usos heu d'obtenir permís del(s) titular(s) de drets.  |
| Lengua: |
Castellà |
| Colección: |
Programa de Doctorat en Química |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Sensors electroquímics ;
Electrochemical sensors ;
Sensores electroquímicos ;
Impressió inkjet ;
Inkjet printing ;
Impresión inkjet ;
Impressió 3D ;
3D printing ;
Impresión 3D ;
Ciències Experimentals |
visitante ::
identificación
