Nanopartículas magnéticas funcionalizadas con derivados de ácidos organofosforados y carboxílicos para la recuperación de níquel y cobalto desde soluciones acuosas

Abstract

En este trabajo se sintetizaron nanopartículas de magnetita recubiertas con SiO2 (MNP@SiO₂) y posteriormente funcionalizadas con grupos orgánicos derivados de ácidos fosfónico y carboxílico, con el objetivo de evaluar su efectividad como adsorbentes selectivos de Co(II) y Ni(II) en solución acuosa. La síntesis de las MNP se realizó mediante el método de coprecipitación, obteniéndose nanopartículas con comportamiento superparamagnético. El recubrimiento con SiO2 permitió mejorar la estabilidad química del núcleo de magnetita y proporcionar una superficie versátil para la posterior funcionalización. En una tercera etapa, se funcionalizaron las MNP@SiO2 con los ácidos aminotris(metilenfosfónico) (ATMP) y nitrilotriacético (NTA), obteniéndose los adsorbentes MNP@SiO₂@PA y MNP@SiO₂@CA, respectivamente. La caracterización fisicoquímica de los adsorbentes mediante FT-IR, TGA, SEM-EDS, TEM, VSM, DRX y potencial zeta confirmó la presencia de los grupos funcionales incorporados a la superficie de las nanopartículas, así como la formación de estructuras homogéneas con tamaños promedio entre 10 y 15 nm. La caracterización por TGA permitió determinar la cantidad de materia orgánica presente en los adsorbentes, mientras que las curvas de magnetización presentaron una disminución en la magnetización de saturación producto de los recubrimientos, sin comprometer la separabilidad magnética de los materiales. Se evaluó la adsorción de Co(II) y Ni(II) en soluciones sintéticas, analizando el efecto del pH, masa de adsorbente y concentración inicial de la solución de alimentación. En la mayoría de las condiciones estudiadas, el adsorbente MNP@SiO₂@PA presentó capacidades de carga superiores a las de MNP@SiO₂@CA para ambos iones metálicos. En soluciones bimetálicas, independientemente del adsorbente utilizado, el metal presente en mayor concentración inicial mostró mayores valores de capacidad de carga, evidenciando un proceso de adsorción gobernado principalmente por la disponibilidad relativa de los iones metálicos en solución acuosa. Los resultados obtenidos permiten concluir que los adsorbentes sintetizados presentan propiedades físicas y químicas adecuadas y una alta capacidad de adsorción para su potencial aplicación en la recuperación de Ni(II) y Co(II) desde matrices acuosas complejas, como lo son soluciones de lixiviación provenientes del reciclaje de baterías ion-litio desechadas.

In this work, magnetite nanoparticles coated with SiO2 (MNP@SiO2) were synthesized and subsequently functionalized with organic groups derived from phosphonic and carboxylic acids, with the aim of evaluating their effectiveness as selective adsorbents for Co(II) and Ni(II) in aqueous solution. The MNPs were synthesized by the coprecipitation method, yielding nanoparticles with superparamagnetic behavior. The SiO2 coating improved the chemical stability of the magnetite core and provided a versatile surface for subsequent functionalization. In the third stage, MNP@SiO2 were functionalized with aminotris(methylenephosphonic) acid (ATMP) and nitrilotriacetic acid (NTA), resulting in the adsorbents MNP@SiO₂@PA and MNP@SiO₂@CA, respectively. Physicochemical characterization of the adsorbents by FT-IR, TGA, SEM-EDS, TEM, VSM, XRD, and zeta potential confirmed the presence of functional groups incorporated onto the nanoparticle surface, as well as the formation of homogeneous structures with average particle sizes between 10 and 15 nm. TGA analysis allowed the determination of the amount of organic layer anchored in the adsorbents, while the magnetization curves showed a decrease in saturation magnetization due to the surface coatings, without compromising the magnetic separability of the materials. The adsorption of Co(II) and Ni(II) was evaluated in synthetic solutions by analyzing the effects of pH, adsorbent dosage, and initial feed concentration. Under most of the conditions studied, the MNP@SiO2@PA adsorbent exhibited higher adsorption capacities than MNP@SiO2@CA for both metal ions. In bimetallic solutions, regardless of the adsorbent used, the metal present at a higher initial concentration showed higher adsorption capacities, indicating that the adsorption process is mainly governed by the relative availability of metal ions in the aqueous solution. These results demonstrate that the synthesized adsorbents possess suitable physical and chemical properties and high adsorption capacities, highlighting their potential application in the Ni(II) and Co(II) recovery from complex aqueous matrices, such as leachate solutions derived from the recycling of spent lithium-ion batteries.