Sustainable valorization of sargassum biomass for the removal of pollutants from water by adsorption technologies

Abstract

RESUMEN. La contaminación de cuerpos de agua por metales pesados como el cadmio (Cd²⁺) y el plomo (Pb²⁺), así como por contaminantes emergentes como el ibuprofeno (IBU), constituye una amenaza ambiental y sanitaria de gran relevancia a nivel global. Estos compuestos son tóxicos, persistentes, no biodegradables y tienden a bioacumularse en organismos acuáticos, afectando cadenas tróficas y la salud humana. En este contexto, la presente tesis propone la valorización sostenible del alga marina Sargassum spp., frecuentemente considerada un residuo nocivo en las costas del Caribe mexicano, como materia prima para el desarrollo de biosorbentes eficientes en la remoción de dichos contaminantes. Se estudió la biomasa natural y sus derivados obtenidos por pirólisis (biochar) y carbonización hidrotermal (hidrochar), con rendimientos de conversión superiores al 30 %. Las muestras fueron caracterizadas mediante técnicas como FTIR, SEM/EDS, TGA, BET y análisis elemental (CHONS), revelando una alta densidad de grupos funcionales y superficies específicas de hasta 240 m²/g en algunos biochars. Los estudios de adsorción se realizaron en sistemas monocomponente y multicomponente, tanto en condiciones estáticas como dinámicas. Los materiales demostraron capacidades de adsorción máximas de hasta 478 mg/g para Pb(II) y 157 mg/g para Cd(II), y 103 mg/g para IBU bajo condiciones optimizadas. Se aplicaron modelos cinéticos de pseudo-primer y pseudo-segundo orden, así como modelos de isoterma de Langmuir, Freundlich y Radke-Prausnitz, con coeficientes de correlación mayores a 0.98. Además, se propuso y validó un modelo de difusión-permeación acoplado con dinámica de adsorción en lecho empacado, con buen ajuste predictivo para curvas de ruptura (%Desv < 5%). Este trabajo representa una contribución novedosa al demostrar la aplicabilidad real del Sargazo no solo como biosorbente en fase líquida, sino como precursor de materiales carbonosos con alta eficiencia para la remoción simultánea de contaminantes metálicos y orgánicos. La integración de estudios termodinámicos, modelado matemático avanzado y evaluación en sistemas dinámicos refuerza la viabilidad de escalar esta tecnología como alternativa sustentable para el tratamiento de aguas contaminadas.

ABSTRACT. The contamination of water bodies by heavy metals such as cadmium (Cd²⁺) and lead (Pb²⁺), as well as by emerging pollutants like ibuprofen (IBU), represents a major environmental and public health concern at the global level. These compounds are toxic, persistent, non-biodegradable, and tend to bioaccumulate in aquatic organisms, affecting trophic chains and human health. In this context, the present thesis proposes the sustainable valorisation of the marine alga Sargassum spp.—often regarded as a harmful residue along the Mexican Caribbean coast—as a raw material for the development of efficient biosorbents for the removal of these pollutants. Natural biomass and its derivatives obtained through pyrolysis (biochar) and hydrothermal carbonization (hydrochar) were studied, achieving conversion yields above 30 %. The materials were characterized using techniques such as FTIR, SEM/EDS, TGA, BET, and CHONS elemental analysis, revealing a high density of functional groups and specific surface areas of up to 240 m²/g in some biochars. Adsorption studies were conducted in mono- and multi-component systems under both static and dynamic conditions. The materials exhibited maximum adsorption capacities of up to 478 mg/g for Pb(II), 157 mg/g for Cd(II), and 103 mg/g for IBU under optimized conditions. Pseudo-first and pseudo-second order kinetic models were applied, along with Langmuir, Freundlich, and Radke–Prausnitz isotherm models, all achieving correlation coefficients above 0.98. Additionally, a Diffusion–Permeation Model (DPM) coupled with packed-bed adsorption dynamics was proposed and validated, yielding a strong predictive fit for breakthrough curves (percentage deviation < 5%). This work represents a novel contribution by demonstrating the real-world applicability of Sargassum not only as a biosorbent in aqueous media but also as a precursor for carbon-based materials with high efficiency for the simultaneous removal of metallic and organic pollutants. The integration of thermodynamic studies, advanced mathematical modeling, and evaluation under dynamic conditions strengthens the feasibility of scaling up this technology as a sustainable alternative for contaminated water treatment.