Desarrollo de nanocompuestos matriz polimérica/bentonita para la eliminación de Arsénico en aguas

Abstract

La contaminación con arsénico en fuentes de aguas destinadas al consumo humano es una problemática creciente a nivel mundial. La presencia de este metal es consecuencia de la combinación de procesos naturales y de actividades realizadas por el hombre. Las técnicas actuales para el tratamiento de dichas aguas contaminadas son muy costosas y de difícil implementación. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de un nanocompuesto con matriz polimérica de quitosano y relleno de bentonita para la eliminación del arsénico en el agua, preparados mediante tecnologías sencillas, de bajo costo, sin impacto ambiental y escalables a nivel industrial. El quitosano es biocompatible, biodegradable, no es tóxico para los humanos. Posee propiedades únicas como: estabilidad química, alta reactividad, grupos de enlace metálicos (NH2, OH), excelente comportamiento de quelación y alta selectividad ante contaminantes. Por ello es caracterizado como el mejor adsorbente de iones de metales pesados. Se obtiene de fuentes renovables como residuos de comida marítima, otorgándole una importancia tecnológica alta. En contraparte la bentonita utilizada fue provista por Minarmco S. A., Neuquén. Esto no solo fomenta la industria nacional, sino que abarata el precio de la materia prima al adquirirse en distribuidores dentro del país. Las arcillas son utilizadas como relleno por su vasta intercalación química, elevada resistencia y rigidez, alta relación de aspecto, buenas capacidades de adsorción de contaminantes, abundancia en la naturaleza y bajo costo. Todo ello aumenta notoriamente el desempeño del material que vaya a conformar. En este caso, la bentonita en cuestión, cumplió la función de relleno adsorbente disminuyendo la cantidad de quitosano que se utiliza usualmente en la síntesis de partículas del mismo en un 50% y mejorando su performance como adsorbente. Como solución a la problemática del arsénico, se propuso el uso de la adsorción como el método más eficiente para el tratamiento de aguas contaminadas con este metal pesado. Sobre dicho método se realizaron dos estudios: batch y en columna. Si bien, éste último es continúo y fácilmente escalable a nivel industrial, se utilizaron ambos a modo comparativo. Además, se comparó la performance entre los ya conocidos hidrogeles de quitosano con los desarrollados en este trabajo: los nanocompuestos. La caracterización de la bentonita se realizó mediante la Fluorescencia de Rayos X (FRX), la Espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y la Difracción de Rayos X (DRX). Mientras que la de los hidrogeles de quitosano y los nanocompuestos obtenidos, se determinaron a través del Análisis Termogravimétrico (TGA), la Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Por último, las muestras extraídas tanto en ensayos del tipo batch como en columna, se caracterizaron mediante el espectrofotómetro de luz visible-UV. También se determinó el grado de hinchamiento de los hidrogeles y los nanocompuestos en conjunto con su fracción soluble. A partir de la Fluorescencia de Rayos X (FRX) se pudo identificar la composición de la bentonita utilizada, encontrándose un alto porcentaje de hierro. Esto resultó ventajoso ya que la fuerte interacción de este metal con el arsénico hizo que la remoción de éste último fuese mucho más eficiente. Se concluyó mediante la Difracción de Rayos X que la arcilla analizada tiene los patrones de difracción típicos de una montmorillonita. Además, se pudo determinar que luego del proceso de sedimentación (lavado, centrifugado, secado y molido) la bentonita se purificó disminuyendo su cristalinidad, pero sin afectar su capacidad para remover arsénico. El grado de hinchamiento se reportó un 20% mayor en lo nanocompuestos que en los hidrogeles, siendo esto lo previsto debido a la capacidad de hinchamiento en presencia de agua de la arcilla utilizada. La fracción soluble fue menor en los nanocompuestos atribuyéndose a lo mencionado anteriormente. Los estudios en batch y en columna mostraron la alta capacidad de remoción tanto de los hidrogeles como de los nanocompuestos en una solución realizada en laboratorio de 1 ppm de arsénico. En el primero, los hidrogeles de quitosano obtuvieron una máxima remoción del 97% a los 180 minutos, la bentonita resultó del 70% a los 60 minutos, mientras que para los nanocompuestos se alcanzó un 86,5% a los 15 minutos. En el segundo estudio, los hidrogeles removieron arsénico hasta una concentración de 0,01 ppm en menos de 5 volúmenes de lechos y en el caso de los nanocompuestos disminuyó hasta una concentración de 0,02 ppm en 17 volúmenes de lecho. Quedó en evidencia que la capacidad de remoción de los hidrogeles es algo superior, pero en contraposición el uso de nanocompuesto abarata costos y disminuye el impacto ambiental. También fue notoria la diferencia entre las capacidades de adsorción y los tiempos empleados entre ambos estudios. Sin embargo, la técnica en columna fue preferida porque se puede tratar un volumen de agua mucho más grande, haciéndolo más eficiente para su utilización a escala industrial. Finalmente, se hizo un estudio completo de rentabilidad para analizar si el proyecto era factible económicamente. Se utilizaron dos métodos: uno dinámico y otro estático. Como método dinámico se utilizó la Tasa Interna de Retorno y como estático, el Tiempo de Repago. Con la ayuda de ambos, se concluyó que la inversión es aconsejable para la instalación y puesta en marcha de la empresa.