Resumen de Diseño de nanoadsorbentes magnéticos funcionalizados para la eliminación de arsénico de aguas subterráneas contaminadas
- español
Esta Tesis Doctoral orientada al diseño de nanomateriales magneticos funcionalizados para la eliminación de arsénico de aguas contaminadas, ha sido realizada en el grupo de investigación Procesos Avanzados de Separación (PAS) de la Universidad de Cantabria en el marco de los proyectos CTQ2008-00690 ¿Investigación y desarrollo de separaciones reactivas. Contribución al tecnológico sostenible¿ (Ministerio de Ciencia e Innovación), CTQ2012-31639 ¿Nuevos procesos de separación con control cinético basados en la utilización de materiales funcionalizados¿ (Ministerio de Economía y Competitividad) e INDIGO¿DST1¿0/PRI-PIMNIN-2011-1462 ¿Green technologies for sustinable water purification and reuse¿ (Comisión Europea/Ministerio de Economía y Competitividad). La formación ha sido completada a través de la realización de una estancia breve de investigación en el Environmental and Chemical Engineering Research Group de la Universidad de Oulu (Finlandia), bajo la supervisión de la Prof. Dra. Riitta Keiski.
El trabajo continúa la trayectoria del grupo de investigación en el desarrollo de procesos de separación de elevada eficacia que en su aplicación al tratamiento corrientes acuosas, posibilitan reducir los niveles de concentración de potenciales contaminantes así como, la recuperación de materias primas y compuestos de interés. Asimismo este estudio supone el inicio de una nueva línea de trabajo que tiene como objetivo el desarrollo de nuevas alternativas de separación basadas en el empleo de nanomateriales magnéticos. En particular la Tesis Doctoral, supone una contribución relativa al estado del arte en materia de la intensificación de procesos de adsorción para el tratamiento de corrientes contaminadas mediante el desarrollo de nuevos materiales.
Para muchos países en vías de desarrollo, el agua subterránea es la principal fuente de consumo de agua en zonas rurales y urbanas. La presencia de arsénico en las aguas subterráneas es un problema ambiental debido a su alta toxicidad, incluso a bajas concentraciones; por esta razón la Organización Mundial de la Salud recomienda para el agua potable, un valor de límite de concentración de 10 ¿g As L-1. Por ello la eliminación de arsénico ha sido investigada utilizando diferentes tecnologías, siendo la adsorción una de las mejores alternativas, debido a su simplicidad y bajo costo. En particular, la utilización de nanomateriales magnéticos en procesos de adsorción se presenta como una alternativa de interés debido a las excelentes propiedades de los materiales en la nanoescala si se comparan con las observadas en la mesoescala, p.e. facilidad de funcionalización superficial, elevada área superficial específica, propiedades superparamagneticas, etc.
El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología para el análisis de un proceso basado en la aplicación de la tecnología de adsorción selectiva mediante nanomateriales magnéticos funcionalizados, que permita la separación de un compuesto de interés de una mezcla multicomponente. Como caso de estudio se seleccionó el tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con arsénico con el objetivo de reducir la concentración del contaminante hasta los niveles de concentración recomendados para el consumo humano. Asimismo, se evaluó la influencia en el proceso de adsorción/desorción de otras especies competitivas habitualmente presentes en las aguas subterráneas por las propias características del acuífero y por su localización.
En una primera etapa, se realizó la síntesis de distintos tipos de nanomateriales magnéticos y no magnéticos con distintas funcionalizaciones superficiales con afinidad por el arsénico. En segundo lugar las nanopartículas se caracterizaron por medio del análisis de área superficial BET, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA), difracción de rayos X, técnicas de dispersión dinámica de la luz para la determinación de la distribución del tamaño y potencial zeta y magnetometría.
A continuación se llevó a cabo la evaluación técnica del proceso de adsorción de arsénico empleando los nanomateriales magnéticos sintetizados. Para ello se efectuó un análisis de viabilidad para evaluar el comportamiento de los diferentes materiales sintetizados frente a la adsorción de As(III) y As(V). En segundo lugar se estudió el equilibrio de adsorción en sistemas monocomponente y en sistemas multicomponente simulando las características reales de las aguas subterráneas. Asimismo se estudió la cinética de adsorción de arsénico bajo diferentes condiciones de operación, tanto a nivel experimental como teórico.
Por último se analizaron las etapas de desorción y reutilización de los nanomateriales. En este estudio se seleccionó el agente de desorción más adecuado y se evaluó la influencia de su concentración sobre el proceso de desorción y sobre la estabilidad del material. Finalmente se analizó la potencial pérdida de eficacia de adsorción del material regenerado cuando se le somete a ciclos sucesivos de carga y descarga.
- English
For many developing countries, groundwater is the main source of drinking water in rural and urban areas. The presence of arsenic in groundwater is an environmental problem due to its high toxicity, even at low concentrations. For this reason, the World Health Organization recommends a value of arsenic concentration in drinking water lower than 10 g L-1. Therefore, the removal of arsenic has been investigated using different technologies, being adsorption one of the best alternatives, because of its simplicity and low cost. In particular, the use of magnetic nanomaterials in adsorption processes seems to be a promising alternative due to the excellent properties of materials in the nanoscale as compare to their performance at the mesoscale. This work aims at the development of the methodology for analyzing the performance of an adsorption process based on the use of functionalized magnetic nanomaterials as adsorbents, to carry out the selective separation of a target compound from a multicomponent mixture. In particular, the removal of arsenic from polluted groundwater has been selected as case study with the specific objective of evaluating the efficiency of the technology to reduce the arsenic concentration below the limits imposed for drinking water either under ideal conditions or in the presence of different competitive species usually dissolved in groundwater by the specific characteristics of the water bearing.
