Alejandro Castaeda Karla Vega 11 de abril de 2014 !!Aplicacin de Nanomateriales de

Oxido de Hierro para la Eliminacin de Metales Pesados

Pragnesh N. Dave and Lakhan V. Chopda !

RESUMEN

En el siglo 21 el agua contaminada por metales pesados es uno de los problemas mas grandes

que existen. Varios mtodos para remover los iones de los metales pesados del agua han sido

extensivamente estudiados. La aplicacin de nanopartculas de oxido de hierro basado en

nanomateriales para remover los metales pesados han sido bien conocidas como como

absorbentes para el saneamiento del agua. Debido a su importante propiedad fisicoqumica, el

ser un mtodo barato y con fcil regeneracin en la presencia de campos magnticos

externos hacen de este una purificacin de agua mas atractiva. La estrategia de modificacin

en la superficie de las nanopartculas de oxido de hierro es tambin usada para la remediaron

de agua, ya que esto incrementa la eficiencia del oxido de hierro para la eliminacin de

metales pesados del sistema acuoso.

!INTRODUCCION

El agua es el componente mas importante para la vida humana, por lo que hay que probar que

el agua este limpia, ya que es un requerimiento para los seres humanos para tener una mejor

salud. Las aguas contaminadas han estado creciendo mucho a nivel mundial debido a el

rpido crecimiento de las industrias, la poblacin humana, y las actividades domesticas y de

agrcolas, las cuales llevan a enfermedades mortales.

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La contaminacin por metales pesados se ha estado convirtiendo un uno de los problemas

mas importantes del medio ambiente, ha este punto se aade que las bajas concentraciones de

metales pesados en varias fuentes de agua pueden ser perjudiciales a la salud humana.

Para tratar de combatir este problema varias tcnicas como la oxidacin fotocataltica,

coagulantes qumicos, electroqumica, resinas de intercambio ionice, adsorcin, etc. han sido

utilizadas.

Entre estas tcnicas, la adsorcin a base de nanotecnologa es la tecnologa mas conveniente

para la eliminacin de metales pesados en los sistemas acuosos.

La aplicacin de xidos de hierro basados en nanomateriales son mas atractivos debido a sus

grandes caractersticas como su pequeo tamao, la gran superficie de rea, sus propiedades

magnticas.

Las propiedades magnticas son muy importantes ya que permiten una fcil separacin de

absorbentes del sistema y pueden ser rehusadas para futuras aplicaciones.

Los xidos de hierro utilizados en esta investigacin son la magnetita (fe304), maghemita (y-

fe203), y hematita (a-fe203) basados en nanoadsorbentes.

!NANOPARTCULAS DE OXIDO DE HIERRO

La reciente utilizacin de nanomateriales basados en oxido de hierro con nuevas propiedades

y mejor funcionalidad se ha estudiado mucho en los ltimos aos, debido a su pequeo

tamao (partcula), gran superficie de rea y propiedades magnticas.

Las nanopartculas de hierro son sintetizadas por mtodos importantes como los fsicos,

qumicos y biolgicos. Los mtodos qumicos son bien conocidos y ampliamente aceptados

por su excelente produccin de nanopartculas de hierro.

En la figura 1 se muestran varios mtodos qumicos como la co-precipitacin,

descomposicin trmica, mtodo sol-gel, etc.

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!Figura 1. Sntesis de nanopartculas de hierro por 3 mtodos diferentes

!La co-precipitacin qumica involucra en su estudio la combinacin de sales ferrosas y

frricas en una proporcin de 2:1 (FE+3/FE+2) en un medio acuoso en presencia de una base y

en ausencia de oxigeno.

En presencia de oxigeno y magnetita acida las nanopartculas se convierten en nanopartculas

magnticas, lo cual nos da una ventaja, la cual es la produccin de grandes cantidades de

material pudiendo tener un control de tamao de partcula (entre 2-20 nm) y forma ajustando

el pH, la fuerza ioniza y la concentracin de la solucin.

Por otro lado la descomposicin trmica funciona mediante una oleada de hierro que puede

realizarse a partir de la descomposicin de un precursor de hierro como lo es el (Fe(Cup)3,

Fe(CO) y el Fe(acac)3.

La principal ventaja de la descomposicin trmica es que mejora el control sobre el tamao y

forma de la partcula. El tamao y forma de las nanopartculas de oxido de hierro dependen

del precursor y la temperatura como se menciono anteriormente.

El mtodo hidrotrmico involucra precursores de hierro en agua aplicando una gran presin y

temperatura, lo que provoca que las reacciones se lleven a cabo en los reactores o en los

autoclaves.

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En condiciones hidrotrmicas, las nanopartculas fueron formadas a partir de hidrlisis y

oxidacin seguidas de una neutralizacin de varios metales hidrxidos.

En la tabla 1 se muestran otros mtodos de preparacin de nanopartculas de oxido de hierro.

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Tabla 1. Varios mtodos qumicos para la sntesis de nanopartculas de oxido de hierro

!Las nanopartculas de oxido de hierro son un sujeto fcil de implementacin en sistemas

biolgicos y acuosos.

Un punto importante es la estabilizacin de las partculas de oxido de hierro ya que es la bes

para poder producir ferrofluidos magnticos coloidales. Estos ferrofuidos son estables

contra medios biolgicos y acuosos y tambin contra campos magnticos. El modificar

nanopartculas para hacerlas magnticas tiene una gran ventaja ya que existen numerosas

aplicaciones en el medio biomdico como lo es la administracin de frmacos, formacin de

imgenes por resonancia magntica, hipertermia, etc.

En la figura 2 se puede observar la representacin de la fabricacin de una nanopartcula de

oxido de hierro.

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!Figura 2. Representacin esquemtica de modificacin de la superficie de las nanopartculas

de xido de hierro.

!ELIMINACION DE ARSENICO USANDO NANOPARTCULAS DE OXIDO DE

HIERRO Y SUS NANOMATERIALES.

El agua contaminada por sales de arsnico a nivel mundial esta creando demasiada

problemtica ya que se esta encontrando un nivel mucho mayor de arsnico que el mximo

que es de 0.010 ppm (partes por milln). Esto causa enfermedades como cncer, desordenes

neuronales, hiperqueratosis, debilidad muscular, etc., por los que es necesario encontrar un

mtodo efectivo para la eliminacin de arsnico en agua natural y en agua residual.

En base a esta problemtica se ha encontrado que las nanopartculas de oxido de hierro

muestran resultados muy ptimos para la eliminacin de arsnico. Algunas nanopartculas

que se estn utilizando son los xidos de magnetita, hemtita y maghemita, los cuales son

sintetizados por varios mtodos qumicos para remover el As (III) y el As(V).

En la tabla 2 se puede observar las nanopartculas y el mtodo de sntesis para la eliminacin

de As.

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Tabla 2. Aplicacin de nanopartculas de xido de hierro para la eliminacin de arsnico de

acuerdo con la isoterma de Langmuir.

!Un aspecto importante de porque se uso la magnetita fue debido a su pequeo tamao y gran

superficie de rea, ya que la hacen un excelente adsorbente.

Para la eliminacin de As la adsorcin juega un papel muy importante, ya que la gran

superficie de rea de las nanopartculas pueden adherirse fcilmente en la solucin, que

podra disminuir su eficiencia por lo que es importante el modificar la superficie de las

nanopartculas para mejorar su actividad.

Un mtodo que se esta utilizando para mejorar la superficie de xidos de hierro es la

implementacin de grupos funcionales como los cidos carboxlicos, cidos fosfricos,

silanol, aminas, etc., as como pequeos organismos moleculares, polmeros biomolculares y

otras nanopartculas, como se puede observar en la figura 2.

La mxima capacidad de adsorcin de As(V) y el As(III) es de 16.56 mg/g y 46.06 mg/g,

respectivamente.

Gracias a esto se demuestra que las nanopartculas de oxido de hierro tienen una excelente

capacidad de adsorcin en cuanto al As(III) y el As(V) 23.15, 32.11, 9.64 y 3.25 mg/g

seguido de las isotermas de Langmuir y Freundlich respectivamente.

Existen numerosas aplicaciones de nanomateriales magnticos para la eliminacin de sales de

arsnico de aguas naturales y residuales que son resumidas en la tabla 3.

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Tabla 3. Descripcin general de diversos nanomateriales de xido de hierro para la

eliminacin de arsnico.

!ELIMINACION DE COBRE, CROMO Y METAL CROMO

El cobre como ya se conoce se utiliza mucho en el rea industrial como en la comercial y

domestica, este sobre exceso de uso se esta acumulando en el medio ambiente lo que esta

provocando agua cada vez mas contaminada. Modificaciones en la superficie de

nanopartculas de magnetita por ligadura 1; 6 hexadiamina han sido reportados ya que

funcionan como un excelente removedor de Cu(II) de sistemas acuosos.

Nanopartculas magnticas llevando grupos aminos en su superficie fueron capaces de

remover hasta el 98% de cobre de ros contaminados y agua de grifo. La mxima capacidad

de adsorcin registrada fue de 25.77 mg/g a un pH de 6 y a una temperatura de 298 K.

En los casos anteriores de nanopartculas magnticas con funcionalidad amina en la

superficie de plomo a un aumento de la capacidad de adsorcin que aumenta con el pH. A un

pH mas pequeo, el grupo amina se somete a una pronotacin la cual disminuye la eficiencia

de adsorcin; sin embargo. a un pH mas alto la fuerte complejacin tiene lugar entre el Cu+2

y el grupo amina libre.

Existen otros reportes donde han usado una nanocomposita de goma arbiga para remover el

Cu(II). Esta goma de adhiere a travs de un acoplamiento entre la superficie con grupo

hidroxilo y un acido carboxlico de la goma arbiga.

La capacidad de adsorcin de nanopartculas magnticas con goma arbiga es de 17.6 y 38.5

mg/g, respectivamente, que es seguida de una isoterma Langmuir.

Nanopartculas magnticas recubiertas de quitosano fueron modificadas con un agente

biodegradable y ecoamigo llamado acido alpha-cetoglutarico que funciona como removedor

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de cobre II. Estos nanoadsorbentes base magnticos fueron caracterizados mediante XRD,

FT-TR, TEM, VSM y EDS. En los resultados de los anlisis el tamao de partcula de

quitosano llevando el acido cetoglutarico fue de 30 nm, mientras que en el espectro infrarrojo

se arrojaron picos alrededor de 589 cm-1 que indicaban un recubrimiento de maghemita (y-

Fe2O3)., tambin se demostr un estiramiento de vibracin en enlaces C-H o CH2 del acido

alpha-cetoglutarico y el grupo funcional amida respectivamente.

En el anlisis por XRD se confirmo la presencia de maghemita.

Las nanocompositas magnetica-grafeno son elaboradas por un mtodo de descomposicin

trmica, este es un nanomaterial muy eficaz para la eliminacin de Cr(VI); aparte de esto la

gran magnetizacin de saturacin (96.3 emu/g) de las nanopartculas sintetizadas permite una

rpida separacin del adsorbente.

La montmorillenita apoyada de nanopartculas de magnetita exhiben una buena capacidad de

adsorcin a diferencia de la magnetita pura para la eliminacin de Cromo VI. Esta eficiencia

es debido a la porosidad que posee la montmorillenita que le provee de una mejor dispersin

de las nanopartculas de magnetita.

!ELIMINACION DE OTROS METALES PESADOS

Se ha comprobado que los nanoadsorbentes de magnetita funcionan como precursores para

poder eliminar iones de Pb(II) de soluciones acuosas usando una tcnica de lotes-adsorcin.

La cantidad de Plomo (II) incrementa en base al incremento de temperatura que indica la

adsorcin endotermica, as como no hay ningn efecto de catin coexistente en la adsorcin.

La mxima capacidad de adsorcin del plomo es de 36 mg/g.

En cuanto a la maghemita se ha encontrado que funciona para la eliminacin de algunos

metales pesados txicos de aguas residuales de galvanoplastia. Estas partculas tienen una

dimensin de 60 nm y fueron sintetizadas usando un mtodo de co-precipitacin, ademas

fueron caracterizadas por XRD y EDX.

Nanopartculas de magnetita solubles en agua preparadas por un mtodo hidrotrmico con

una alta solubilidad y estabilidad mostraron una gran afinidad para plomo (II) y cromo (VI),

mejor que nanopartculas de magnetita insolubles en agua.

Estas nanopartculas magnticas tienen el potencial de limar hasta el 90% de Pb(II) en 2

minutos.

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Entre otros mtodos utilizaron nanotubos de maghemita para eliminar y desintoxicar metales

pesados como: Cu (II), Zn (II) y Pb (II).

El rea de superficie de estas partculas magnticas se encontr que era de 321.638 m2/g, las

capacidades mximas de adsorcin de adsorbentes maghemita tubulares hacia la Cu(II),

Pb(II), y Zn(II) fueron 111,11, 71,42, y 84.95mg/g, respectivamente.

La descontaminacin de metales pesados tales como plomo, cobre y cadmio fue en base al

AF-Fe3O4 que se prepar por el mtodo hidrotrmico en el que la sal de hierro de FeCl3

6H2O fue aadido al glicol de etileno, seguido de acetato de sodio y etanodiamina, despus

paso a sellarse en un revestido de tefln de calor autoclave de acero inoxidable a 200 C

durante 8h. La morfologa de AF-FeO fue investigada por microscopa electrnica de

transmisin. El volumen de poros y la superficie BET son 0,1833 cm3/g y 25,94 m2/g,

respectivamente, mientras que el patrn de difraccin de rayos demostr que tiene una

estructura de fase magnetica. El equilibrio se alcanz en 120 minutos a pH 7.

Ademas de estos metales pesados se trabajo con Cd (II), As(III), Ni(II), Ag,Tl con el fin de

desintoxicar las aguas naturales y residuales.

!ADSORBENTE MAGNETICA BASADO EN SILICE PARA LA ELIMINACION DE

METALES PESADOS.

Nanoadsorbentes magnticos recubiertos de slice proveen estabilidad y un incremento en la

eficiencia de adsorcin. Nanopartculas magnticas modificadas con slice funcionan a la par

con el bromuro de cetilpiridinio que es usado para la deteccin de iones de metales pesados,

tales como: Cd(II), Co(II), Mn(II), Ni(II) y Pb(II) de aguas simples; sin embargo el limite de

deteccin del Cd(II), Co(II), Cu(II), Mn(II), Ni(II), y el Pb(II) son 2.3, 9.5, 4.7, 15.3, 9.1, and

7.4, respectively en ng/L.

La superficie de rea BET (superficie especifica) de Fe3 O4, Fe3 O4 @SiO2, y Fe3 O4

@SiO2 - NH2 es de 114, 318.5, y 216.2, respectivamente. Hubo caracterizacin por XRD

dando como resultado una estructura cubica en espiral.

Tambin se arrojaron resultados como la capacidad de adsorcin para eliminar metales

pesados como el Cu(II), Pb(II) y el Cd(II) a 25C, obteniendo 0.47, 0.37, y 0.20 mmil/g. La

capacidad de adsorcin incrementa con el aumento de temperatura que indica la naturaleza

endotrmica del proceso de adsorcin.

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Tambin se habla de materiales mesoporosos de silice ya que estos han tenido un gran avance

y tienen excelentes caractersticas como su gran superficie de rea, el tamao de poro y el

volumen de poro que lo hacen un excelente candidato para el saneamiento del agua, ademas

de como someterlo a tcnicas como el sol-gel usando bromuro de cetrimetil amonio como

surfactante.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

!Pragnesh N. Dave and Lakhan V. Chopda, Application of Iron Oxide Nanomaterials for the

Removal of Heavy Metals, Journal of Nanotechnology, vol. 2014, Article ID 398569, 14

pages, 2014. doi:10.1155/2014/398569

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