Magnetización de silicatos de calcio nano-estructurados sin modificar y modificados con Fe a utilizar como adsorbentes para la eliminación de contaminantes inorgánicos desde una matriz acuosa que simula un agua ácida de mina

Abstract

En esta Memoria de Título se sintetizan, caracterizan y emplean nuevos adsorbentes del tipo silicatos de calcio nanoestructurados sin modificar o modificados con Fe(III), magnetizados con Fe3O4 comercial y con Fe3O4 sintetizada en el laboratorio. La síntesis de la magnetita y la de todos los adsorbentes resultó ser sencilla, eficiente y reproducible. Los resultados de los análisis mediante difracción de rayos X, evidencian que los adsorbentes estarían constituido por un núcleo cristalino más obscuro correspondiente a magnetita, rodeado de capas amorfas de CaSiO3. Micrografías SEM y TEM indicaron que se obtienen partículas variables entre 20-80 nm, al ser preparadas con la magnetita preparada en laboratorio y entre 80-190 nm para los adsorbentes preparados con la magnetita comercial. Presentan en general una forma esférica y con una tendencia a la aglomeración de ellas. Los análisis de porosimetría BET indicaron que los compósitos preparados presentaron áreas superficiales del orden de 20-70 m2/g y diámetros de poro entre 2 y 9 nm, confirmando que corresponden a materiales silicatados nanoestructurados, obteniéndose además curvas de magnetismo con valores de saturación magnética variables entre 31,4 y 63,7 emu/g, suficientes para asegurar una completa separación de ellos de las soluciones acuosas refinos obtenidas tras la adsorción, mediante el empleo de un magneto. Pruebas de estabilidad química indicaron que los adsorbentes en general son estables en condiciones de acidez a pH mayor a 3,0. Se realizaron pruebas de adsorción de los iones Cu(II), Cd(II) y As(V) desde soluciones acuosas, presentando todos los adsorbentes sintetizados una adsorción cuantitativa para Cu(II) y Cd(II), independiente de la acidez de la fase acuosa contactada. Se observó una menor adsorción de As(V), la cual fue incrementada al aumentar la masa de adsorbente al disponer de un número mayor de sitios activos disponibles para la adsorción. El mecanismo de adsorción se basaría en la formación del respectivo hidróxido con los grupos silanoles de los silicatos o vía intercambio catiónico entre el metal adsorbido con los átomos de Ca del adsorbente. La adsorción de iones arseniatos ocurriría mediante un mecanismo combinado de formación de pares iónicos e intercambio aniónico con los iones SiO3-2 del adsorbente. Los experimentos de equilibrio de adsorción indicaron que en general los resultados experimentales pueden ser ajustados de mejor forma por el modelo híbrido de Langmuir-Freundlich. Los resultados experimentales de cinética de adsorción se ajustaron mejor a un modelo cinético de pseudo-segundo-orden

In this study, new adsorbents based on magnetic-nanostructured calcium silicate, unmodified or modified with Fe(III), magnetized with commercial Fe3O4 and with Fe3O4 synthesized in the laboratory are synthesized, characterized and used. The synthesis of magnetite and all adsorbents was simple, efficient and reproducible. The results of the X-ray diffraction analysis show that the adsorbents would consist of a darker crystalline nucleus corresponding to magnetite, surrounded by amorphous layers of CaSiO3. SEM and TEM micrographs indicated that obtained particles possess a size variable between 20-80 nm, when prepared with the magnetite prepared in the laboratory and between 80-190 nm when adsorbents were prepared with the commercial magnetite. In general, particles present a spherical shape with a tendency to agglomerate. BET porosimetry analysis indicated that the adsorbents presented surface area around 20-70 m2/g and pore diameters between 2 and 9 nm, confirming that they correspond to nanostructured materials. Furthermore, magnetism curves showed the solids have magnetic saturation values variable between 31.4 and 63.7 emu/g, sufficient to ensure a complete separation of them from the raffinate aqueous solutions by means of a common magnet. Chemical stability tests indicated that adsorbents in general are stable at pH greater than 3.0. Cu(II), Cd(II) and As(V) ions were adsorbed from aqueous solutions, presenting all the synthesized adsorbents a quantitative adsorption for Cu(II) and Cd(II), independent of the acidity of the treated aqueous phase. Lower adsorption of As(V) was observed, which was increased by increasing the mass of adsorbent as more active sites were available for adsorption. The adsorption mechanism would be based on the formation of the respective hydroxide with the silanol groups of the silicates or via cation-exchange between the adsorbed metal and the Ca atoms of the adsorbent. Adsorption of arsenate ions would occur by a combined mechanism of ion-pair formation and anion exchange with the SiO32- ions of the adsorbent. The adsorption equilibrium experiments indicated that in general the experimental results can be better adjusted by the hybrid Langmuir-Freundlich model. Experimental results of adsorption kinetics were better adjusted by a pseudo-second-order-kinetic model