Obtención de hidrogeles asistida por fotones gamma de 60Co con nanopartículas de TiO2 para remoción de azul de metileno y cromo(VI)

Abstract

En este trabajo se usó el método de radicales libres para sintetizar hidrogeles de goma de guarango-acrilamida (TG-Aam), e inulina-acrilamida (Inu-Aam), con y sin la inclusión de nanopartículas de TiO2 en la estructura. Los radicales libres se generaron de dos formas: 1) por irradiación de la solución acuosa de polisacáridos y acrilamida con rayos gamma de 60Co, y 2) por la adición de persulfato de amonio (APS) como agente químico iniciador a las soluciones y calentamiento. La reacción de copolimerización por injerto de la poliacrilamida sobre las gomas de guarango e inulina, respectivamente, permitió la obtención de hidrogeles de estructura tridimensional. Los hidrogeles fueron caracterizados física, química y morfológicamente a través de los análisis de la fracción de gelación, el porcentaje de hidratación, los datos obtenidos por espectroscopía infrarroja acoplada con reflectancia total atenuada (FTIR-ATR), termogravimetría (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y microscopia electrónica de barrido con espectroscopía por energía dispersiva de rayos X (SEM-EDS). Los hidrogeles fueron utilizados en la decoloración de azul de metileno (AM) y en la remoción de cromo hexavalente, Cr(VI), en presencia de ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) en solución acuosa, bajo condiciones de oscuridad y bajo exposición a luz UV. De los ensayos de degradación del colorante bajo luz UV, se concluyó que el uso del hidrogel de goma de guarango copolimerizado por injerto con acrilamida y nanopartículas de TiO2, denominado TG-g-Aam-TiO2, sintetizado con iniciador persulfato de amonio (APS), produjo en 180 min la mayor disminución de la concentración de AM bajo luz UV (quedando 10% de la concentración inicial), y los datos se ajustaron muy bien al modelo cinético de pseudo-primer orden (Rଶ = 0,9964). Tanto TG-g-Aam-TiO2 como el hidrogel de inulina copolimerizado por injerto con acrilamida y nanopartículas de TiO2, denominado Inu-g-Aam-TiO2, sintetizado con APS como iniciador, produjeron una alta disminución de la concentración de Cr(VI) en presencia de EDTA después de 60 y 75 min bajo luz UV (quedando 0,07% y 0,17% de la concentración inicial, respectivamente). En este caso también el modelo de pseudo-primer orden fue el que mejor describió la cinética del proceso (Rଶ de 0,9408 y 0,9652 respectivamente). Ambos hidrogeles pudieron ser reutilizados durante tres ciclos bajo luz UV, mostrando que la capacidad de remoción de AM y Cr(VI) disminuyó en apenas 4 y 1%, respectivamente, entre el primero y tercer ciclo de uso. Los hidrogeles también fueron empleados en ensayos de remoción de AM bajo exposición a fotones gamma aplicando dosis de entre 20 y 300 Gy, y esos resultados se compararon con los obtenidos en los ensayos bajo exposición a luz UV. La baja tasa de dosis del equipo que se tuvo que utilizar para estos ensayos influyó notablemente en los resultados.

In this Doctoral Thesis, the free radical method was used to synthesize hydrogels from tara gum-acrylamide (TG-Aam), and inulin-acrylamide (Inu-Aam), with and without the inclusion of TiO2 nanoparticles in the network of the hydrogels. Free radicals were generated by two pathways, the first one by irradiation of raw materials solutions with gamma rays, and the second one by adding an initiating agent (ammonium persulfate, APS) to these solutions followed by heating. The graft copolymerization of acrylamide onto the tara gum and inulin, respectively, allowed the formation of three-dimensional hydrogels. The physical, chemical, and morphological characterization of the hydrogels was made by measuring the gelation fraction, swelling percentage, infrared coupled attenuated total reflectance spectroscopy, thermogravimetry analysis, differential scanning calorimetry, and scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy. The hydrogels were employed in the degradation of methylene blue (MB) and removal of Cr(VI) in the presence of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), both in aqueous solutions under two conditions, in the dark and under UV light exposure. Results of the degradation of the dye under UV light showed that the hydrogel of tara gum graft copolymerized with acrylamide and TiO2 nanoparticles, synthesized with initiator and denoted by TG-g-Aam-TiO2, reached the highest decrease of MB concentration (10% of MB initial concentration). The pseudo-first-order kinetic model fitted very well the data (Rଶ = 0,9964). The TG-g-Aam-TiO2 hydrogel and the hydrogel of inulin graft copolymerized with acrylamide and TiO2 nanoparticles, synthesized with initiator and denoted by Inu-g- Aam-TiO2, achieved the best decrease of the Cr(VI) concentration in EDTA (0,07% y 0,17% of Cr(VI) initial concentration) in 60 and 75 min respectively. The pseudo- first-order kinetic model also fitted well this data (Rଶ = 0,9408 and 0,9652 respectively). Both hydrogels could be reused for three cycles under UV light, showing that the removal capacity of AM and Cr(VI) decreased only 4 and 1%, respectively, between the first and third cycle of use. The hydrogels were also used in AM removal assays under gamma photon exposure applying doses between 20 and 300 Gy, and these results were compared with those obtained in the tests under exposure to UV light. The low dose rate of the equipment that had to be used for these trials significantly influenced the results