Remoción de metales pesados desde aguas ácidas usando óxido de grafeno funcionalizado con nanopartículas de óxido de zinc

Abstract

La minería genera una amplia gama de impactos negativos en el medioambiente y los ecosistemas circundantes. Estos impactos están principalmente asociados al mal manejo de los desechos mineros. La mala disposición de los relaves mineros genera drenaje ácido de mina (DAM), o bien escorrentías caracterizadas por una acidez extrema (pH < 4), y por poseer altas concentraciones de sulfato disuelto y metales pesados. Existen tratamientos pasivos y activos para tratar los impactos generados por DAM. Uno de los recientes y más prometedores tratamientos activos es la aplicación de nanomateriales y nanopartículas para la estabilización y remoción de metales pesados. Actualmente, diversos nanomateriales y nanopartículas se utilizan combinados con técnicas convencionales (como adsorción, fotocatálisis, membranas, ósmosis inversa, etc.) para tratar los problemas asociados al DAM. Recientemente compuestos de óxido de grafeno (GO) y las nanopartículas de ZnO (NZnO) se han vuelto de interés para la remoción de sustancias contaminantes en matrices acuosas mediante el proceso de adsorción, debido principalmente a sus propiedades fisicoquímicas mejoradas. El objetivo de este trabajo fue evaluar la influencia del pH en la capacidad de adsorción y las tasas de remoción de metales pesados disueltos (Al(III), Cu(II) y Mn(II)), usando GO, NZnO y GO/NZnO como adsorbentes en soluciones ácidas monometálicas. Se sintetizó GO mediante el método de Hummers modificado y una porción del GO producido fue funcionalizado con las nanopartículas. De esta manera, se realizaron experimentos de adsorción de con Al(III), Cu(II) y Mn(II) usando GO, NZnO y GO/ZnO. Para esto se prepararon aguas ácidas sintéticas monometálicas, las que fueron usadas para los experimentos de adsorción. A las aguas ácidas se les midió el pH y la concentración de metales, mediante los métodos espectrofotométricos específicos para cada catión aceptados por la USEPA. Así, fijando la cantidad de adsorbente se llevaron a cabo los ensayos de adsorción bajo dos condiciones experimentales: con y sin ajuste de pH inicial. El análisis FT-IR evidencia la interacción entre GO y las nanopartículas, además corrobora la presencia de NZnO en GO, ya que en el espectro FT-IR de GO/ZnO aparecen las señales características de estos nanocompuestos metálicos. En ambas condiciones experimentales, las mayores tasas de remoción se alcanzaron a bajas concentraciones de las especies metálicas. Para cobre, las tasas de remoción fueron más altas en GO con ajuste de pH (94%) y en GO/ZnO sin ajuste de pH (x̄ = 96,43%). Para manganeso la mayor remoción se evidenció en los experimentos con ajuste de pH siendo de 53,49% y 61,17% con GO y GO/ZnO respectivamente. Las tasas de remoción de aluminio también fueron mayores en las condiciones de pH inicial ajustado, ya que se obtuvo un 84,11% con GO y 95,56 % con GO/ZnO. Evidenciando que al ajustar el pH inicial y trabajar a pH > pHPZC se obtienen mejores tasas de remoción de los metales pesados. Estos resultados muestran que GO funcionalizado con las nanopartículas de ZnO presentó una mejor capacidad que GO de adsorber en su superficie cationes metálicos. También este estudio entrega nueva información acerca de la potencial aplicación de GO/ZnO como un adsorbente efectivo para la remediación y tratamiento de aguas ácidas contaminadas con metales pesados.

Mining generates a wide range of negative impacts on the environment and surrounding ecosystems. These impacts are primarily associated with the mismanagement of mine wastes. Poor disposal of mine tailings generates acid mine drainage (AMD), or runoff characterized by extreme acidity (pH < 4), and high concentrations of dissolved sulfate and heavy metals. Passive and active treatments are available to treat the impacts generated by AMD. One of the recent and most promising active treatments is the application of nanomaterials and nanoparticles for the stabilization and removal of heavy metals. Currently, various nanomaterials and nanoparticles are used in combination with conventional techniques (such as adsorption, photocatalysis, membranes, reverse osmosis, etc.) to treat the problems associated with DAM. Recently graphene oxide (GO) composites and ZnO nanoparticles (NZnO) have become of interest for the removal of pollutants in aqueous matrices by adsorption process, mainly due to their improved physicochemical properties. The aim of this work was to evaluate the influence of pH on the adsorption capacity and removal rates of dissolved heavy metals (Al(III), Cu(II) and Mn(II)), using GO, NZnO and GO/NZnO as adsorbents in monometallic acidic solutions. GO was synthesized by Hummers' method and a portion of the GO produced was functionalized with the nanoparticles. In this way, adsorption experiments were carried out with Al(III), Cu(II) and Mn(II) using GO, NZnO and GO/ZnO. For this purpose, monometallic synthetic acidic waters were prepared and used for the adsorption experiments. The acidic waters were measured for pH and metal concentration, using the specific spectrophotometric methods for each cation accepted by the USEPA. Thus, fixing the amount of adsorbent, adsorption tests were carried out under two experimental conditions with and without initial pH adjustment. The FT-IR analysis evidences the interaction between GO and the nanoparticles, in addition in corroborates the presence of NZnO in GO, since in the FT-IR spectrum of GO/ZnO the characteristic signals of these metallic nanocomposites appear. In both experimental conditions, the highest removal rates were achieved at low concentrations of the metal species. For copper, the removal rates were highest in GO with pH adjustment (94%) and in GO/ZnO without pH adjustment (average = 96.43%). For manganese, the highest removal was evident in the pH-adjusted experiments at 53.49% and 61.17% with GO and GO/ZnO, respectively. Aluminum removal rates were also higher in the initial pH adjusted conditions, since 84.11% was obtained with GO and 95.56% with GO/ZnO. Evidencing that by adjusting the initial pH and working at pH > pHPZC, better removal rates of heavy metals are obtained. These results show that GO functionalized with ZnO nanoparticles presented a better capacity than GO to adsorb metal cations on its surface. Also, this study provides new information about the potential application of GO/ZnO as an effective adsorbent for the remediation and treatment of acidic waters contaminated with heavy metals.