Preparación y caracterización de dióxido de manganeso magnetizado (mag-MnO2) y su empleo como adsorbente en tratamiento de soluciones acuosas que simulan aguas ácidas de mina

Abstract

En esta Memoria de Título se sintetizó en forma eficiente y reproducible el adsorbente dióxido de manganeso con propiedades magnéticas (mag-MnO2), en la proporción MnO2/Fe3O4:1/1, empleando como precursores Fe3O4 preparada previamente y MnO2. Se obtuvo un rendimiento de síntesis del 96%. El adsorbente fue química y físicamente caracterizado, determinándose mediante imágenes SEM y TEM y DRX que posee un grado de cristalinidad atribuida a la presencia de la magnetita en su núcleo el cual estaría recubierto por capas amorfas de MnO2. Las partículas del adsorbente se presentan aglomeradas, con tamaños variables entre 60 y 130 nm, es decir prácticamente nanopartículas dotadas de un área superficial entre 80-90 m2/g con un gran un número importante de sitios activos para el proceso de adsorción. El adsorbente presentó un potencial de carga cero aproximado de 3,0 y un valor de saturación magnética del orden de 53,3 emu/g, valor suficientemente alto para permitir su separación de la solución acuosa tratada al introducir un magneto de neodimio. Presenta una composición química de 14,57 % de Mn y de 53,90 % para Fe, siendo estable al contactarlo con soluciones acuosas de pH superior a 2,0. El adsorbente sintetizado presentó una gran capacidad de adsorción de especies iónicas, estableciéndose que la de las especies catiónicas Pb(II), Cd(II), Cu(II) y Zn(II) aumenta con el incremento del pH inicial de la fase acuosa, hecho coherente con el mecanismo de adsorción de intercambio catiónico propuesto. La adsorción de especies aniónicas de As(V) aumentó a pH inferiores al potencial de carga cero, dada la protonación de la superficie del adsorbente en esta condición, lo que facilita un mecanismo de atracción electrostática y formación de pares iónicos. Se observó una mayor selectividad de adsorción hacia Pb(II) respecto a los otros iones estudiados. La serie de capacidad de remoción de iones metálicos de este adsorbente sería la siguiente: Pb>> Cu > Cd ≈ Zn. Los estudios realizados indicaron que la desorción de las especies catiónicas se beneficia con el aumento de la acidez de la solución acuosa de desorción al contrario que la desorción de los iones arseniatos, que se beneficia con la disminución de la acidez de la solución acuosa al debilitarse las fuerzas de atracción electrostáticas que los mantiene unidas al adsorbente, siendo posible en todos los casos regenerar el adsorbente. Se concluye que mag-MnO2 sería un adsorbente promisorio para su empleo en el tratamiento de soluciones acuosas contaminadas con especies iónica

In this Thesis the magnetic adsorbent manganese dioxide (mag-MnO2) was efficiently and reproducibly synthesized, using MnO2 and the previously prepared Fe3O4 as precursors. A synthesis yield of 96% was obtained. The adsorbent was chemically and physically characterized, being determined by SEM and TEM and DRX images that posse a degree of crystallinity attributed to the presence of magnetite in its nucleus which would be covered by amorphous layers of MnO2. The particles of the adsorbent tend to be agglomerated, presenting particle sizes between 60 and 130 nm, then practically nanoparticles endowed with a surface area between 80-90 m2/g with a large number of active sites for the adsorption process. The adsorbent presented a zero charge potential (pHzc) around of 3.0 and a magnetic saturation value of the order of 54.2 emu/g, a value high enough to allow its separation from the treated aqueous solution by introducing a neodymium magnet. It has a chemical composition of 14.57% of Mn and 53.90% for Fe, being stable when contacted with aqueous solutions of pH higher than 2.0. The synthesized adsorbent showed a high adsorption capacity of ionic species, being established that the adsorption of cationic species Pb (II), Cd (II), Cu (II) and Zn (II) increases with the increase in the initial pH of the aqueous phase, what is consistent with the proposed cation-exchange adsorption mechanism. The adsorption of anionic species of As (V) increased at pH below the zero charge potential, given the protonation of the surface of the adsorbent in this condition, which facilitates a mechanism of electrostatic attraction and formation of ionic pairs. A higher adsorption selectivity towards Pb (II) was observed compared to the other ions studied. The series of removal capacity of this adsorbent would be the following: Pb >> Cu> Cd ≈ Zn. The studies carried out indicated that desorption of cationic species would be enhanced as increasing the acidity of the aqueous desorption solution, by contrary to the desorption of arsenates ions which would be favored by decreasing the acidity of the aqueous solution given that the electrostatic attractive forces that hold them bonded to the adsorbent would be weakened, being possible in all cases to regenerate the adsorbent. It is concluded that mag-MnO2 would be a promising adsorbent for use in the treatment of aqueous solutions contaminated with ionic species