Desarrollo de adsorbentes de contaminantes emergentes basados en polielectrolitos naturales compuestos

Abstract

Actualmente, existe una amplia gama de contaminantes químicos y microbianos que se pueden encontrar en el agua potable, que generan efectos adversos tanto para la salud humana, como para el medio ambiente. En los últimos años, los fármacos residuales (antibióticos, anticonvulsivos, antipiréticos, hormonas, etc) han comenzado a ser considerados como contaminantes ambientales emergentes debido a su entrada continua y persistente al ecosistema acuático. Entre los antibióticos más importantes utilizados en la veterinaria y la medicina, se encuentra la ciprofloxacina (CIP). Se ha detectado CIP en efluentes de aguas residuales y suelos en muchos países, por lo que se la considera contaminante emergente. Estos contaminantes representan un desafío medioambiental debido a que los procesos convencionales de tratamiento de agua no pueden actuar como una barrera confiable contra algunos de los productos farmacéuticos. Sin embargo, los esfuerzos de investigación enfocados en la remediación efectiva de los efluentes y cuerpos de agua contaminados con antibióticos son aún muy limitados. Por lo tanto, el desarrollo de métodos y materiales eficientes, rentables y estables para el tratamiento de aguas residuales ha ganado un mayor reconocimiento en los últimos años. Dentro de los tratamientos más usados, la adsorción se destaca por ser rentable, versátil y de operación simple. En este sentido, los minerales arcillosos pueden ser una alternativa interesante, dado a que son materiales naturales, abundantes y de bajo costo, que, gracias a sus propiedades fisicoquímicas, son buenos adsorbentes de contaminantes. Siendo la bentonita una de las más ampliamente utilizadas debido a su composición y propiedades. Sin embargo, cuenta con serias restricciones prácticas asociadas a su pequeño tamaño de partícula y la generación de grandes cantidades de lodos difíciles de tratar luego de su implementación en procesos de adsorción. En el presente proyecto final de la carrera de Ingeniería en Materiales se propuso diseñar, preparar y caracterizar perlas de hidrogeles nanocompuestos adsorbentes ecológicamente amigables para ser implementados en dispositivos que permitan realizar tratamientos sencillos de remoción de un contaminante emergente modelo como la CIP. Estos hidrogeles nanocompuestos se destacan por tener una estructura con alta porosidad, rígida, de fácil utilización, resistentes, con propiedades físicoquímicas novedosas. Se desarrollaron materiales con diversas funcionalidades químicas empleando materias primas de fácil disponibilidad y mediante métodos simples de síntesis y procesamiento, que contribuyan a la reducción de costos y a la factibilidad de escalado de los mismos. Siendo los polisacáridos, de naturaleza hidrofílica, los candidatos ideales para la preparación de eco-hidrogeles mediante diversas técnicas. Entre ellos, el quitosano es un polímero catiónico natural biodegradable, proveniente de los exoesqueletos de crustáceos. En Argentina, estos exoesqueletos son un residuo desaprovechado de la industria pesquera, cuya utilización mitigaría la contaminación que producen, además de permitir el aprovechamiento de un recurso de origen natural. Por otro lado, también se utilizó pectina que es una mezcla compleja de polisacáridos que constituye aproximadamente un tercio de las paredes celulares de las plantas superiores. Esta puede extraerse de cáscaras de cítricos y de pulpa de manzana en condiciones ligeramente ácidas. Como nano-refuerzo, se empleó bentonita, una arcilla de origen nacional, para mejorar sus propiedades mecánicas e incrementar la capacidad adsorbente de los hidrogeles biopoliméricos. En primer lugar, se exploró la posibilidad de obtener perlas de hidrogeles compuestas por Qs y Pec. a partir de la mezcla de soluciones diluidas de estos polielectrolitos (Figura 1), que presentan grupos ionizables que generan cargas opuestas en solución acuosa, se forman complejos cuya estabilidad radica en las interacciones electrostáticas cooperativas entre las cadenas de cargas opuestas. Se ensayaron diversas formulaciones y condiciones para generar estos materiales. No obstante, no fue posible obtener hidrogeles en forma de perlas mediante esta estrategia. Como solución, se decidió agregar alginato de sodio a la formulación. Por lo tanto, se prepararon perlas mediante un procedimiento en dos etapas. En primer lugar, se prepararon perlas de Alg y Pc por gelación iónica en presencia de iones Ca+2. Después, las mismas se recubrieron con Qs que se incorporó sobre la superficie conteniendo Alg y Pc, dando lugar a la formación de complejos con fuertes interacciones electrostáticas. También se exploraron formulaciones conteniendo Bent en el recubrimiento con Qs. De este modo se obtuvieron diversas perlas macroporosas y robustas. Una vez obtenidos los hidrogeles se realizó una caracterización térmica, fisicoquímica y morfológica. Luego, se exploró el potencial de cada uno de los materiales en la remoción de CIP y los mismos se analizaron en términos de la eficiencia de remoción lograda. Se obtuvieron las isotermas de adsorción y se modelaron matemáticamente los resultados experimentales para profundizar el estudio fisicoquímico de cada proceso de adsorción. Asimismo, se estudió la posibilidad de regenerar los materiales en distintos medios para lograr la subsecuente reutilización de los mismos y se evaluaron ciclos de reuso, lo cual aportaría una mayor sustentabilidad al proceso. Finalmente, se hizo un estudio completo de rentabilidad para analizar si el proyecto era factible económicamente. Para este estudio se consideraron los materiales con propiedades óptimas obtenidos en principio en escala de laboratorio. Se utilizaron dos métodos: uno estático y otro dinámico. Como método estático se utilizó el Tiempo de Repago y como dinámico, la Tasa Interna de Retorno (TIR). Al tener en cuenta que la TIR es 32%, la tasa de retorno mínima aceptable es 10% y que el tiempo de repago es 2,15 años, el proyecto resulta rentable. Mail del autor Malena Garro <garromalena@gmail.com>