Diseño, arquitectura y construcción del espacio interlaminar de arcillas laminares

Abstract

En este trabajo se informa la modificación del espacio interlaminar de la arcilla natural bentonita (Bent) a través de la mono-funcionalización de esta mediante reacciones de intercambio catiónico con moléculas inorgánicas (Na+) y orgánicas (CTA+ y OTA+), reacciones de intercalación con moléculas de amina de cadena larga (HDA y ODA) y reacciones de injerto con el alquilaminosiloxano (APTES). También se presenta la bi-funcionalización de la bentonita mediante la incorporación de las moléculas de CTA/APTES y de HDA/APTES. en una única matriz. Para finalizar, los nanocompositos funcionalizados se utilizaron como adsorbentes de contaminantes medio ambientales como el colorante aniónico rojo Congo y el hidrocarburo aromático tolueno de manera tal, de vislumbrar sus posibles aplicaciones como matrices mesoporosas adsorbentes. Las bentonitas funcionalizadas fueron caracterizados a través de difracción de rayos X de polvo (DRX) obteniéndose difractogramas que presentan fases puras y ordenadas laminarmente; espectroscopía de infrarrojo (FT-IR) en donde se observaron los grupos metilenos de los surfactantes y los enlaces Si-O de la contribución inorgánica de la bentonita; análisis termogravimétrico (TG/DTG) que corroboran la estabilidad térmica de la bentonita funcionalizada; microscopía electrónica de barrido de alta resolución (SEM-HR) en la que se observa la estructura laminar y porosas de las arcillas; análisis elemental C, H y N (AE) y espectroscopía de emisión óptica de plasma con acoplamiento inductivo (ICP-OES) en donde se asignan las estequiometrias para cada una de las bentonitas funcionalizadas las que coinciden con la capacidad de intercambio catiónico (CEC) y relación molar de cada método de síntesis empleado; espectroscopía de resonancia magnética nuclear con ángulo mágico (RMN-MAS) para los núcleos de 29Si, 27Al, 13C y 23Na para los nanocompositos Bent CTA y Bent CTA/APTES. En los espectros se observaron señales características de las reacciones de injerto entre los grupos etoxi de las moléculas de APTES y los grupos silanol de la bentonita a -65 y -70 ppm en el RMN 29Si. Adicionalmente, se confirmaron la presencia de aluminios tetraédricos los que se relacionarían con las sustituciones isomórficas de Si+4 por Al+3 en el espectro de RMN 27Al. Además, se observan las señales características de los grupos cabeza (+N(CH3)3) a 55 ppm, de la cadena alquílica a 33 ppm y de la cola alquílica a 17 ppm de los nanocompositos Bent CTA y Bent CTA/APTES confirmando la intercalación del surfactante en la matriz. Por último, el espectro de RMN de 23Na indica que existe un menor contenido de agua en los nanocompositos funcionalizados con CTA y CTA/APTES en comparación con la Bent Na confirmando el carácter hidrofóbico de las arcillas luego de la modificación. Las pruebas de adsorción de los nanocompositos revelan, en su mayoría, presentaron buenas propiedades adsorbentes de los contaminantes utilizados (rojo Congo y tolueno) siendo el nanocomposito Bent HDA el que presenta mayor capacidad de retención. Las pruebas de adsorción con colorante revelaron una cinética de reacción de pseudo segundo orden e isotermas del tipo Sips (o Langmuir-Freundlich). Además, es posible desorber (recuperar) aproximadamente un 60% del colorante de la matriz utilizando un reactor solvotermal. Finalmente, los resultados indicaron que es posible modificar las arcillas con diferentes tipos de moléculas en donde cada uno de los productos sintetizados presentan propiedades y características únicas.

In this work we report the modification of the interlaminar space of natural bentonite clay (Bent) through the mono-functionalization of it, through cationic exchange reactions with inorganic (Na+) and organic molecules (CTA+ and OTA+), intercalation reactions with long chain amine molecules (HDA and ODA) and grafting reactions with alkylaminosiloxane (APTES). The bi-functionalization of bentonite is also presented by the incorporation of CTA/APTES and HDA/APTES molecules in a single matrix. Finally, the functionalized nanocomposites were used as adsorbents of environmental pollutants such as the Congo red anion dye and the aromatic hydrocarbon toluene in such a way as to envisage their possible applications as mesoporous adsorbent matrices. Functionalized bentonites were characterized by powder X-ray diffraction (XRD), obtaining diffractograms that show pure phases and laminarly ordered; infrared spectroscopy (FT-IR) where the methylene groups of the surfactants and the Si-O bonds of the inorganic contribution of the bentonite were observed; thermogravimetric analysis (TG / DTG) that corroborate the thermal stability of functionalized bentonite; high resolution scanning electron microscopy (SEM-HR) in which the laminar and porous structure of the clays is observed; elementary analysis C, H and N (AE) and spectroscopy of optical emission of plasma with inductive coupling (ICP-OES) where the stoichiometries are assigned for each of the functionalized bentonites which coincide with the capacity of cation exchange (CEC) and molar ratio of each synthesis method used; Magnetic angle nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR-MAS) for the nuclei of 29Si, 27Al, 13C and 23Na for the Bent CTA and Bent CTA/APTES nanocomposites. In the spectra characteristic signals of the graft reactions between the ethoxy groups of the APTES molecules and the silanol groups of the bentonite were observed at -65 and -70 ppm in the 29Si NMR. Additionally, the presence of tetrahedral aluminiums was confirmed, which would be related to the isomorphic substitutions of Si+4 by Al+3 in the 27Al NMR spectrum. In addition, the characteristic signals of the head groups (+N (CH3)3) at 55 ppm, of the alkyl chain at 33 ppm and the alkylate at 17 ppm of the Bent CTA and Bent CTA / APTES nanocomposites are observed confirming the intercalation of the surfactant in the matrix. Finally, the NMR spectrum of 23Na indicates that there is a lower water content in the nanocomposites functionalized with CTA and CTA/APTES compared to the Bent Na confirming the hydrophobic character of the clays after the modification. The adsorption tests of the nanocomposites reveal, for the most part, showed good adsorbent properties of the pollutants used (Congo red and toluene) being the nanocomposite Bent HDA the one with the highest retention capacity. Adsorption tests with dye revealed pseudo-order reaction kinetics and isotherms of the Sips (or Langmuir-Freundlich) type. In addition, it is possible to desorb (recover) approximately 60% of the dye from the matrix using a solvothermal reactor. Finally, the results indicated that it is possible to modify clays with different types of molecules in which each of the synthesized products have unique properties and characteristics.