Estudio de la síntesis y caracterización de nanocompuestos formados por nanopartículas de hierro y óxidos de hierro inmovilizadas en esferas de alginato de calcio. Evaluación de la reactividad para la remoción de Cr(VI) en agua

Abstract

Entre los contaminantes comunes presentes en aguas residuales provenientes de actividades industriales se encuentra el cromo hexavalente, Cr(VI), el cual se considera un contaminante debido a los efectos adversos que provoca en organismos. En el ser humano, puede generar asma bronquial, úlceras y cánceres nasales y pulmonares, alergias de piel, problemas reproductivos y de desarrollo, entre otros. Uno de los métodos aplicados para eliminar el Cr(VI) presente en aguas es el uso de nanopartículas (NPs) de hierro cerovalente (nFe), el cual permite llevarlo a un estado menor de oxidación, Cr(III), que posee solubilidad y movilidad menor en soluciones acuosas, y es menos tóxico. Sin embargo, el uso de estas nanopartículas trae aparejada la dificultad de separarlas del medio una vez finalizada la remediación. Dado que este paso encarece su uso, en este trabajo se optó por la inmovilización de las nanopartículas en una matriz polimérica formando un nanocompuesto (NC) de tamaño milimétrico fácil de retirar de los líquidos tratados. En el presente trabajo se estudió la síntesis y la caracterización de nanocompuestos formados por nanopartículas de hierro cerovalente, inmovilizadas en una matriz de alginato (AL), empleando datos previamente obtenidos en la División Química de la Remediación Ambiental de la CNEA. La síntesis se realizó a partir de alginato de sodio al que se le agregó las nanopartículas de hierro para formar una suspensión que luego fue añadida gota a gota en una solución de cloruro cálcico para promover la polimerización del alginato. La caracterización consistió en ensayos de actividad de remoción de Cr(VI) en distintas condiciones de reacción y en el estudio de las muestras sólidas utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía Raman. Los experimentos de remoción se realizaron en reactores tipo batch, con agitación y temperatura constantes. Para ello, se introdujeron los nanocompuestos sintetizados en una solución de cromo hexavalente y se midió la evolución de la concentración del mismo en el tiempo. Se realizaron tres tipos de experimentos de remoción: (1) sobre nanocompuestos conteniendo hierro cerovalente, (2) sobre esferas sintetizadas únicamente con alginato junto a nanocompuestos conteniendo hierro cerovalente, y (3) sobre esferas compuestas solo de alginato de manera de poder elucidar el mecanismo de reacción. Finalmente, se determinó la capacidad de remoción de Cr(VI) por parte de las nanopartículas de hierro cerovalente inmovilizadas en alginato, se realizó un estudio cinético de la reacción de remoción, se pudo corroborar la estructura de las nanopartículas de hierro a partir del estudio de las muestras sólidas y se propuso un mecanismo de reacción.

Hexavalent chromium Cr(VI) is an usual pollutant in waste waters as result of many industrial activities, and causes several adverse effects on biological organisms. In humans, it can cause bronchial asthma, nasal and lung ulcers and cancers, skin allergies, reproductive and developmental problems, among other harmful effects. One of the methods used to remove Cr(VI) present in wáter is the use of zerovalent iron nanoparticles (nZVI), which can promote de reduction of Cr(VI) to a lower oxidation state, Cr(III), presenting lower toxicity and lower solubility and mobility in aqueous solutions than Cr(VI). However, the use of these nanoparticles has the disadvantage of a difficult separation from the medium once the remediation is completed. To avoid this expensive separation step, this work was focused on the study of the immobilization of the nanoparticles in a polymeric matrix, forming a millimetric nanocomposite (NC) to achieve a simple separation post removal. In the present work, the synthesis and characterization of nanocomposites formed by zerovalent iron nanoparticles, immobilized in an alginate matrix (AL), was studied, using data previously obtained in the División Química de Remediación Ambiental, CNEA. The synthesis was performed adding iron nanoparticles to a sodium alginate solution forming a suspensión that was then added dropwise in a calcium chloride solution, to promote the polymerization of the alginate. The NCs where characterized by Cr(VI) removal experiments in different reaction conditions and the study of the solids by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The removal experiments were carried out in batch type reactors, with constant stirring and temperature. The synthesized nanocomposites were introduced into a hexavalent chromium solution and the evolution of its concentration over time was measured. Three types or experiments were carried out: (1) using nanocomposites containing zerovalent iron, (2) using spheres synthesized only from alginate together with nanocomposites containing zerovalent iron, and (3) using spheres composed only of alginate in order to elucidate the reaction mechanism. Finally, the ability to remove Cr(VI) by the zerovalent iron nanoparticles immobilized in alginate was determined, a kinetic study of the removal reaction was carried out, the structure of the iron nanoparticles could be corroborated from of the study of solid samples and a reaction mechanism was proposed.