Remoción de Cr(VI) utilizando poli(4-vinilpiridina) N-alquil cuaternizada con diferentes bromuros de alquilo. Evaluación de procesos que permitan la recuperación y reutilización de la fase sorbente

Abstract

La poli(4-vinilpiridina) N-alquil cuaternizada con bromuro de alquilo (P4VPy-Cn) ha demostrado ser eficaz como matriz adsorbente en la retención de iones y óxidos metálicos en matrices acuosas, destacando su capacidad de remover Cr(VI). En base a esto, se propone estudiar el efecto de la cadena lateral contenida en la poli(4-vinilpiridina) N-alquil cuaternizada con bromuro de hexilo, octilo, decilo y dodecilo en la eficiencia de remoción de Cr(VI) en matrices acuosas, según su aplicación por agitación en batch y en columna. También se evaluaron métodos de recuperación del sorbente mediante su magnetización y recuperación con un imán, y su retención en columna para su reutilización. Los resultados demuestran que la eficiencia de remoción de Cr(VI) en matrices acuosas es dependiente del largo de la cadena lateral contenida en la P4VPy-Cn cuando se realiza por agitación en batch; a mayor largo de cadena, mayor eficiencia de remoción de Cr(VI). En tanto, no se observó esta relación cuando la remoción de Cr(VI) se llevó a cabo por columna. Para la evaluación de los métodos de recuperación del sorbente, se sintetizaron nanopartículas de hierro ferromagnéticas Fe3O4 (FeNPs) que fueron mezcladas con las P4VPy-Cn para su magnetización. Paralelamente, se construyeron columnas rellenas de P4VPy-Cn optimizadas para una correcta interacción con la fase acuosa que contiene Cr(VI). Ambos métodos permitieron una eficiente recuperación del sorbente. Para la optimización mencionada, previo a la construcción de las columnas se evaluó el uso de materiales sólidos hidrofílicos como carbón activado, sílica y alúmina mezclados con P4VPy-Cn. El mejor sistema para la aplicación eficiente de las columnas fue la mezcla de carbón activado (CA) y P4VPy-Cn en una proporción 1:1 en masa. Los métodos de agitación en batch y en columna fueron aplicados para 10,0 mL de disolución acuosa con una concentración de 500 mg/L de CrO42-. La eficiencia de remoción de estos sistemas fue determinada por espectrofotometría. Los resultados mostraron que el método de agitación en batch es más eficiente que la aplicación en columnas para la remoción de Cr(VI). Se observó que la P4VPy-C12/FeNPs fue la matriz más eficiente, presentando una remoción de un 98,5%, y el promedio de remoción utilizando los sistemas P4VPy-Cn/FeNPs en agitación en batch fue de 96,4%. Por otro lado, el promedio de remoción fue de 70,3% en columnas rellenas con P4VPy-Cn/CA, un 26,1% menor que el método de agitación en batch. Por otra parte, el estudio del proceso de limpieza de P4VPy-Cn/FeNPs por agitación en batch y P4VPy-Cn/CA en columna para su reutilización se realizó usando hidróxido de sodio (NaOH) como desorbente luego de la remoción de Cr(VI). La eficiencia de reutilización de las matrices se determinó según el método en que fueran aplicadas para la remoción de Cr(VI). Ambos métodos presentaron una disminución en la eficiencia de remoción cuando se reutilizaron los sistemas adsorbentes. Aun así, se observó que la remoción en columnas es más eficiente para la reutilización de la matriz que la agitación en batch, presentando una pérdida de eficiencia de remoción un 29,4% menor que esta última luego de siete ciclos de uso.

Poly(4-vinylpyridine) N-Alkyl quaternized with alkyl bromides (P4VPy-Cn) has been used as a sorption matrix in the retention of metallic ions and oxides present in aqueous matrices, particularly Cr(VI). Based on these studies, in this title seminar, the effect of the lateral chain contained in poly(4-vinylpyridine) N-Alkyl quaternized with hexyl, octyl, decyl and dodecyl bromides on the removal efficiency of aqueous Cr(VI) was studied, both for batch and column removal. Methods for sorbent recovery by its magnetization and its recovery using a magnet and column retention were evaluated for the reuse of the sorbent. Results show that the efficiency of aqueous Cr(VI) removal depends on the length of the side chain contained in P4VPy-Cn when this removal is conducted in batch shaking: the longer the side chain, the better the removal efficiency. No such relation was found when the removal was performed using columns. To evaluate the sorbent recovery methods, ferromagnetic iron nanoparticles of Fe3O4 (FeNPs) were synthesized and mixed with P4VPy-Cn for its magnetization. These magnetic polyelectrolytes were used to remove aqueous Cr(VI) by batch shaking. At the same time, P4VPy-Cn filled columns were built and optimized for a correct interaction with the aqueous phase which contains the Cr(VI) species to remove. Both methods were found to allow an efficient recovery of the sorbent. For the optimization process mentioned above, before the construction of the columns, the use of hydrophilic solid materials mixed with P4VPy-Cn was evaluated. These materials were activated charcoal, silica gel and aluminum(III) oxide. The best blend for the efficient application of columns among these was a 1:1 mass ratio of activated charcoal and P4VPy-Cn. Both batch shaking removal and column removal were applied to remove aqueous Cr(VI) from 10,0 mL of a 500 mg/L CrO42- solution. The concentration of CrO42- was later determined in the samples after the removal processes by spectrophotometric methods. The efficiency of Cr(VI) removal by batch shaking was observed to be higher than that of column removal. Among these matrices, P4VPy-C12/FeNPs was the most efficient, with 98,5% removal efficiency, and the average for the P4VPy-Cn/FeNPs systems in batch shaking was 96,4%. The removal efficiency of the columns was, on average, 70,3%. Column removal was 26,1% lower than the removal by batch shaking. The cleaning and reuse of the sorbents using sodium hydroxide (NaOH) as an ionic interchanger of the adsorbed Cr(VI) species in the polyelectrolytes was studied and analyzed. Furthermore, the reuse efficiency of the matrices according to their application method was investigated. The reuse potential and efficiency of the matrices was determined according to the method in which they were applied. Both methods showed a decrease in the removal efficiency when reusing the sorbent systems. The application in columns was more efficient for the sorbent reuse than batch shaking. After seven cycles, this method exhibited a 29,4% lower efficiency loss compared to batch shaking.