Obtención de órgano montmorillonitas y biomontmorillonitas para retención de metales pesados y su recuperación tecnológica

Abstract

El desarrollo industrial ha generado un importante daño ambiental debido a los contaminantes producidos. Aquellos que contienen metales pesados, como el cromo (Cr), níquel (Ni) y cobre (Cu), son un caso especial debido a los efectos tóxicos que presentan a bajas concentraciones tanto para la salud humana, como la de animales y plantas. Por eso, es importante la remediación de este tipo de contaminantes, especialmente cuando están presentes en sistemas acuosos. La montmorillonita (Mt) es un mineral arcilloso que sobresale como material adsorbente por su bajo costo, abundancia y propiedades, como elevada superficie específica y capacidad de intercambio catiónico (CIC), lo cual la hace un material idóneo para la remoción de contaminantes catiónicos en aguas. Particularmente, Argentina cuenta con varios yacimientos de este mineral de alta pureza, que han sido objeto de estudio en varias publicaciones y tesis doctorales. Las modificaciones fisicoquímicas de la Mt como el intercambio con surfactantes catiónicos (órgano-montmorillonitas -OMts), el crecimiento de biomasa fúngica (bio-montmorillonitas -BMts) y el tratamiento térmico o mecánico, cambian propiedades iniciales de la Mt como: inversión de la carga eléctrica superficial inicial a positiva, permitiendo la adsorción de contaminantes aniónicos; cambio de afinidad y/o mejoras en su separación de la solución, entre otras. Por todo lo anterior, en esta tesis se evalúa el uso de una Mt nacional y sus productos de distintas modificaciones: OMts, BMts y de tratamientos físicos (térmico o mecánico), como materiales adsorbentes para la remoción de metales pesados en agua, de naturaleza aniónica (Cr(VI)) y catiónica (Cr(III), Ni(II) y Cu(II)), como también la posterior recuperación de estos metales pesados. En un principio se detallan las fuentes principales y propiedades del Cr, Ni y Cu en sistemas acuosos y sus efectos perjudiciales. Además, se describen los distintos métodos de remedición utilizados para su remoción, mostrando las ventajas del método de adsorción. Después, se trata la síntesis de las OMts obtenidas por intercambio de surfactantes de diferente longitud de cadena alquílica (12-18 carbones) al 100% de la CIC de la Mt y las BMts, a partir de un hongo presente en aguas contaminadas (Acremonium sp.) con dos distintos contenidos de Mt (1% y 5% p/v). Estos materiales se caracterizaron por diferentes técnicas instrumentales (DRX, potencial ζ, Tg/ATD, diámetro aparente, superficie específica, ángulo de contacto, espectroscopia FT-IR, espectroscopia XPS y punto cero de carga) para identificar cambios de las propiedades iniciales respecto de aquellas de la Mt (estructurales, carga eléctrica superficial, estabilidad térmica, hidrofilidad, humectabilidad, etc.). Los ensayos iniciales de adsorción de Cr(VI) se realizaron en batch a pH 3 y relación sólido/líquido de 1 g/L, en busca del adsorbente de mayor capacidad de adsorción de Cr(VI). Posteriormente, se profundizó en el efecto: del pH, de la relación sólido/líquido, de la concentración de Cr(VI) (isotermas), tiempo (cinética), aumento del contenido orgánico, desorción y de la luz sobre la adsorción de Cr(VI) en la organo-montmorillonita obtenida con el surfactante de 18 carbones (ODMt), como también en su aplicación tecnológica (columnas de filtración y aplicación preliminar en efluentes reales). Los tratamientos previos de la Mt: térmicos (600 °C -Mt600°C y 950 °C) y mecánico (por molienda 300s -Mt300s), se evaluaron en la síntesis de dos ODMt (50% y 100% de CIC de Mt) para optimizar la remoción de Cr(VI). Los adsorbentes obtenidos también fueron caracterizados por las técnicas instrumentales ya mencionadas, para después relacionar con los estudios de adsorción en batch de Cr(VI) a pH 3 y relación sólido/líquido de 1 y 5 g/L. La capacidad de adsorción y desorción de los metales catiónicos (Cr(III), Ni(II) y Cu(II)) se estudió en las ODMt (con distinto % de intercambio), BMts, Mt600°C y Mt300s, y teniendo como referencia la Mt, de mayor capacidad de adsorción. El pH de precipitación de cada metal en solución fue el pH limitante de los estudios de adsorción a 1 g/L, utilizándose pH 4, 8 y 6 para soluciones de 50 mg/L de Cr(III), Ni(II) y Cu(II), respectivamente. Los cambios de afinidad encontradas entre los adsorbentes, generados por las modificaciones fisicoquímicas y por los posibles sitios involucrados, como la caracterización después de la adsorción, fueron parámetros definitorios para alcanzar la recuperación tecnológica de los tres metales.