Síntesis y caracterización de silicatos de calcio nano-estructurados modificados con Mg(II) y su aplicación en la remoción de fosfatos y metales pesados desde aguas ácidas contaminadas

Abstract

En esta Memoria de Titulo se estudió la remoción de iones fosfatos desde soluciones acuosas que simulan aguas ácidas residuales industriales, mediante adsorción con silicatos de calcio nano-estructurados modificados o no con magnesio, en presencia de otros contaminantes como ion NH4+, Cu(II), Cd(II) y Zn(II). Los silicatos de calcio nano-estructurados modificados con Mg se sintetizaron en base a la reacción de una solución de silicato de sodio e hidróxidos de calcio y magnesio, respectivamente. Los adsorbentes fueron caracterizados física y químicamente, empleando diferentes metodologías, entre ellas, las de microscopía electrónica de barrido, análisis de porosimetría y difracción de rayos X. Los adsorbentes resultaron ser amorfos y de superficie porosa. Los análisis de porosimetría BET indicaron para los silicatos de calcio modificados en un 30% con Mg, un área superficial del orden de 86 m2/g y diámetros de poro promedios de 20 nm,. La adsorción de iones fosfatos con los silicatos nano-estructurados de calcio modificados o no con magnesio fue muy eficiente en todo el rango de acidez estudiado, debido a la formación de fosfatos de calcio y fosfatos de magnesio muy insolubles y estables, determinándose una capacidad de carga variable entre 280 a 300 mg PO43-/g n-silicato. La remoción de fosfato se vio favorecida en presencia de ion NH4+, debido a la formación de precipitados muy insolubles de fosfatos dobles de magnesio y amonio. La presencia de iones fosfatos y amonio no afectó la adsorción de los iones metálicos Cu(II), Cd(II) y Zn(II), la cual ocurriría mediante la formación de hidróxidos y sales básicas silicatadas granulares muy estables. Sin embargo, los resultados experimentales también indican que no es posible modificar el silicato de calcio mediante reemplazo de los átomos de Ca por Mg más allá del 30% molar, al ir perdiéndose la nano-estructura del silicato y por tanto su capacidad adsorbente. Finalmente, se analizaron los resultados experimentales de los experimentos cinéticos mediante estos adsorbentes, utilizando un modelo cinético de pseudo-segundo-orden, el cual está basado en la capacidad de adsorción del adsorbente, más que en la concentración de los contaminantes en solución

In this work was studied the removal of phosphate ions from aqueous solutions that simulate acidic industrial waste waters that also contain other pollutants as NH4+, Cu(II), Cd(II) y Zn(II), by means of an adsorption process onto nano-structured calcium silicates modified or not with magnesium. The magnesium-modified nano-structured calcium silicates were synthesized following a route based on the reaction of a sodium silicate solution and calcium and magnesium hydroxides, respectively. Sorbents were physically and chemically characterized using diverse methodologies, among them, scanning electron microscopy, porosimetry analysis and X-ray diffraction. They resulted be amorphous having a rough surface. BET analysis indicated a surface area of 86 m2/g and an average pore diameter around 20 nm for calcium silicate modified with 30% of Mg. A highly efficient sorption of phosphate ions onto nano-structured calcium silicates modified or not with magnesium throughout the revised acidity range due likely to the generation of insoluble and stable calcium and magnesium phosphates. A 280-300 mg PO43-/g n-silicate phosphate loading capacity was measured. Removal of PO43- ions was enhanced by the presence of NH4+ ions in the treated solution due the production of very insoluble double-magnesium and ammonium phosphate. The existence of PO43- and ammonium ions did not affected the sorption of metallic ions Cu(II), Cd(II) y Zn(II), which would occur through the formation of hydroxides and stable and granular basic silicates salts. However, the experimentally observed results indicate that is no possible modifying the calcium silicates by replacement of calcium atoms by magnesium atoms beyond 30 % (molar) since the nano-structure of silicates is affected being reduced they sorption capacity. Finally, the experimental results of sorption kinetics were analyzed by using a pseudo-second-order model based more in the sorption capacity of solids than in the concentration of pollutants in solution