SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS [MAGNETITA/HKUST-1] Y [RESIDUO ORGÁNICO/MAGNETITA/HKUST-1] PARA LA REMOCIÓN DE PLAGUICIDA

Tesis de doctorado en ciencia de materialesEn los últimos años la ciencia de materiales se ha desarrollado en diferentes áreas de la investigación, muchas de ellas, para proporcionar un conocimiento científico y tecnológico que facilite el diseño y fabricación de materiales diversos. En este sentido, el desarrollo de materiales compuestos o compositos generan un gran interés por la infinidad de estructuras posibles y su amplia gama de aplicaciones. De la amplia gama de materiales existentes en el mundo, quizá los que más llaman la atención son aquellos cuyas características permiten la formación de materiales compuestos eficientes y de bajo costo. Por este motivo, los residuos agroindustriales se han abierto paso sobre otros materiales y en diferentes áreas. Su uso no solo proporciona materiales con propiedades mejoradas sino también ambientalmente amigables y una nueva propuesta para su disposición final, mitigando los problemas de contaminación relacionados con su mala disposición final. Otra clase materiales de gran interés son aquellos de carácter magnético, como la magnetita (Fe3O4), que en tamaños nanométricos y soportada sobre una matriz puede conferirle al composito la capacidad de ser aislado con facilidad bajo la aplicación de un campo magnético externo. Así mismo, los materiales denominados MOFs (Metal Organic Frameworks) surgen en el área de los materiales como una nueva propuesta alternativa para la captura de gases con la posibilidad de ser empleados en muchos otros ámbitos debido a sus propiedades y la gran variedad de ellos que pueden ser sintetizadas bajo el mismo principio. Áreas como el tratamiento de aguas representan un reciente campo de aplicación para estos materiales. En la misma proporción que la población mundial aumenta, lo hace también la necesidad de alimentos y esto ha traído consigo la aplicación indiscriminada de plaguicidas que surgieron como una alternativa para el control de plagas hace más de 120 años. Este problema de contaminación no es reciente, pero persiste en gran parte del planeta y se agrava día con día. De ello surge la necesidad de encontrar alternativas que permitan disminuir su concentración para eliminar o al menos reducir el riesgo que representa su presencia en los cuerpos de agua. Es por ello que los procesos de adsorción surgen como una alternativa eficiente y sencilla para la remoción de plaguicidas siempre que se apliquen materiales adsorbentes económicos y que no representen un nuevo problema de contaminación en el ambiente. Compositos de varios tipos se han utilizado eficientemente en este tipo de procesos. Es por ello que se propuso sintetizar compositos de carácter magnético utilizando como base residuos agroindustriales, bagazo de caña de azúcar y la cáscara de cacahuate, como soporte del MOF HKUST-1 para la remoción de los plaguicidas atrazina, carbofuran e iprodione desde soluciones acuosas. Para ello, inicialmente, los materiales fueron secados, molidos y lavados. Tres métodos de lavado fueron aplicados al bagazo de los cuales solo uno se consideró adecuado y se utilizó para lavar la cáscara de cacahuate. La capacidad de adsorción del bagazo con respecto al cobre se estableció como base para el crecimiento posterior del MOF en el desarrollo de los compositos. Por el método de coprecipitación, las nanopartículas de magnetita (MNP) fueron soportadas en el bagazo probando para ello diferentes concentraciones y masas que llevaron a establecer las mejores condiciones de síntesis y reproducir esté en el cacahuate. La síntesis del MOF HKUST-1 y el composito [MNP/HKUST-1] mostró ser eficiente y reproducible, por lo que se aplicó con éxito en la generación de los compositos. El bagazo se utilizó en su forma natural (Bo) y de composito magnético [MNP/Bo] para soportar el MOF que dio como resultados los materiales [MNP/HKUST-1 sobre Bo] y [HKUST-1 sobre MNP/Bo]. La cáscara de cacahuate (PSo), por el contrario, solo en su forma magnética [MNP/PSo] fue aplicado como soporte del MOF para dar como resultado el composito [HKUST-1 sobre MNP/PSo]. Grupos funcionales característicos de las fases de los compositos y, en algunos casos, de los plaguicidas removidos se detectaron con el uso de la espectroscopia de infrarrojo con trasformada de Fourier (FTIR). La espectroscopia Raman y de difracción de rayos X permitió establecer las fases en cada uno de los compositos confirmando su presencia como parte del mismo. El área superficial de todos los materiales y los cambios que sufrió durante la síntesis de los compositos fue evidente y determinada por medio del método BET. La Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) permitió observar las diferentes morfologías de los materiales naturales y compositos, a su vez que mapeos químicos de EDS mostraron la distribución de las nanopartículas con respecto al MOF en la superficie de los materiales. Las nanopartículas de magnetita fueron estudiadas por medio de la Microscopia Electrónica de Transmisión (MET) que ayudó a determinar la dispersión de tamaño de las mismas, su forma y presencia. La combinación de ambas técnicas MET y MEB, permitió observar la distribución de las nanopartículas de magnetita en el MOF cuando estas forman parte del cristal, por medio de un escaneo lineal de concentración. La estabilidad térmica de los materiales y compositos se estableció por medio del análisis termo-gravimétrico y la espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X permitió determinar el ambiente químico del cobre una vez adsorbido por la matriz de los compositos. Los estudios de adsorción mostraron que la incorporación de las nanopartículas a los materiales naturales, incrementa su capacidad de adsorción con respecto a los tres plaguicidas removidos (atrazina, carbofuran e iprodione), de la misma manera que la incorporación del MOF HKUST-1 a los compositos aumentan aún más su afinidad por los plaguicidas. Se determinaron tiempos de equilibrio no mayores a los 45min así como procesos de quimisorción sobre superficies heterogéneas se establecieron a través de los modelos cinéticos. Esta información fue complementada con los resultados de las técnicas de caracterización. Las capacidades de adsorción mostradas por los materiales naturales se incrementaron significativamente con la incorporación de las nanopartículas sobre todo en la remoción de carbofuran en ambos materiales y en menor medida para la remoción de iprodione con el material magnético de cascara de cacahuate. De la misma manera, la incorporación del MOF incremento la remoción de los tres plaguicidas pero en menor medida para la atrazina con el composito de la cáscara de cacahuate.CONACYT-280518 CONACYT 44972

Influence of the chain length of surfactant in the modification of zeolites and clays. Removal of atrazine from water solutions

Influence of the chain length of surfactant in the modification of zeolites and clays. Removal of atrazine from water solutionsRemoval potentials of a surfactant modified zeolite (SMZ) and clay (SMC) for atrazine adsorption were evaluated. Materials were modified with hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HDTMABr) and benzyl octadecyl dimethyl ammonium (BODA) chloride considering the critical micellar concentration (CMC) of each one (0.94 and 0.041 meq/L, respectively). The influence of the surfactant was analyzed in detail, particularly the formation of surfactant layers (complete or partial) connected with the length of the surfactant tail (16 and 18 methyl groups or number of carbons in the chain). Raw materials were characterized by XRD and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), SMZ and SMC were analyzed by FTIR. Results obtained from kinetic adsorption experiments shown that equilibrium time is less for materials modified with HDTMA (8 h) than materials with BODA (10 and 12 h). Materials modified with the largest chain surfactant (BODA) showed more resistance to atrazine masse transference. The chemisorption was presented in the adsorption mechanisms of atrazine and adsorbent materials. Based on the results of adsorption isotherms Langmuir isotherms showed the better correlation coefficients value. The qmax is greater for materials modified with BODA (0.9232 and 4.2448 mg/g) than for materials modified with HDTMA (0.6731 and 3.9121 mg/g). Therefore, SMZ and SMC modified with the largest chain surfactant has more affinity for the pesticide. The removal process at high concentration of atrazine depends of the partition process but at lower concentration, it occurs not only by this process but also by absorption process

Influence of the chain length of surfactant in the modification of zeolites and clays. Removal of atrazine from water solutions

Influence of the chain length of surfactant in the modification of zeolites and clays. Removal of atrazine from water solutionsRemoval potentials of a surfactant modified zeolite (SMZ) and clay (SMC) for atrazine adsorption were evaluated. Materials were modified with hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HDTMABr) and benzyl octadecyl dimethyl ammonium (BODA) chloride considering the critical micellar concentration (CMC) of each one (0.94 and 0.041 meq/L, respectively). The influence of the surfactant was analyzed in detail, particularly the formation of surfactant layers (complete or partial) connected with the length of the surfactant tail (16 and 18 methyl groups or number of carbons in the chain). Raw materials were characterized by XRD and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), SMZ and SMC were analyzed by FTIR. Results obtained from kinetic adsorption experiments shown that equilibrium time is less for materials modified with HDTMA (8 h) than materials with BODA (10 and 12 h). Materials modified with the largest chain surfactant (BODA) showed more resistance to atrazine masse transference. The chemisorption was presented in the adsorption mechanisms of atrazine and adsorbent materials. Based on the results of adsorption isotherms Langmuir isotherms showed the better correlation coefficients value. The qmax is greater for materials modified with BODA (0.9232 and 4.2448 mg/g) than for materials modified with HDTMA (0.6731 and 3.9121 mg/g). Therefore, SMZ and SMC modified with the largest chain surfactant has more affinity for the pesticide. The removal process at high concentration of atrazine depends of the partition process but at lower concentration, it occurs not only by this process but also by absorption process

Reuse of sustainable materials for xylenol orange dye and copper (II) ion ammoniacal removal

Reuse of sustainable materials for xylenol orange dye and copper (II) ion ammoniacal removalWater pollution caused by heavy metals and organic compounds is an environmental problem with negative impact, making the restoration of water quality a priority. In this paper, the adsorption of xylenol orange dye (XO) on vitreous tuff mineral (VT) was studied. It was established that the adsorption capacity of VT was 45.17 mg/g. The removal was carried out by interactions between active sites on the surface of the material and the functional groups of the dye. The solid waste obtained from this process (VTXO) was reused as adsorbent material for Cu removal in the form of the complex Cu-NH3 because this process was done in an ammoniacal medium. It was found that the adsorption capacity of this new material was 33.09 mg/g. In a previous research, VT mineral was used to remove crystal violet (CV) instead of XO. The solid waste of this last process (VTCV) was also applied for Cu-NH3 removal, in order to compare the adsorption capacity of VT after the adsorption of two different kinds of dyes. The adsorption capacity of VTXO was lower than that of VTCV (71.23 mg/g). In both processes, adsorption kinetic was well described by a chemical adsorption onto a heterogeneous surface. The equilibrium time for XO removal was 50 min and 80 min for Cu-NH3. The experimental design stated that the maximum adsorption capacity was reached when the initial concentration was 6400 mg/L and the solid-liquid ratio was 10 g/L. The system that requires the least amount of adsorbent was the counter flow batch. Finally, it was possible to estimate the behavior of the system on a higher scale. This research provides an efficient and economical alternative to treat water contaminated with dyes and cooper in an ammoniacal medium using the same material in both processes, one after the other

Cu(II) adsorption from aqueous solutions using the inner and outer portions of sugarcane bagasse

Artículo publicado en revista indizadaIn the present work, the adsorption capacity of internal and external portions of treated sugarcane bagasse (SCB) to remove Cu(II) from aqueous solution was evaluated. In order to reuse this solid waste as an effective adsorption material, both portions were treated with three different solutions (hot water, ethanol and NaOH) to remove sugar, external gummy tissue and impurities. Adsorption experiments were carried out in a batch system at room temperature. The kinetic data were fitted to pseudo-second order and Elovich models for the internal portion, and to the Elovich model for the external portion reaching equilibrium times from 8 to 24 h. Freundlich and Langmuir–Freundlich models described well the adsorption behavior of all systems. The compositional differences of the two portions of SCB and the surface chemistry were analyzed. Material characterization by scanning electron microscopy, Fourier transformed infrared spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy demonstrated morphologic and chemical modifications of the material after each treatment. Results showed that external SCB treated with a sodium hydroxide solution and internal SCB treated with ethanol solution were the best adsorbent materials, and provided a surface with more affinity to remove Cu(II).CONACYT-280518 "Fortalecimiento y desarrollo de la infraestructura científica y tecnológica" CONACYT beca escolar No 44972

Study of the influence of Xanthate Derivative Structures on Copper Sulfide Mineral Adsorption Under Acidic Conditions

Artículo de investigación en revista indizadaAdsorption of commercial xanthate derivatives on copper sulfide mineral (covellite, CuS) was studied by kinetics and isotherm adsorption experiments. The adsorption of xanthate derivatives was confirmed by FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) and XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) results. Experiments were performed with two different xanthate derivatives, C-4410 (O-pentyl S-2-propenyl ester) and C-4940 (isobutyl xanthogen ethyl formate), on individual doses of 0.05 g of powdered covellite. It was found that the equilibrium times at pH 2, 4, and 6 were different for both xanthate derivatives. The shortest times were achieved at pH 2 and 4. The results suggest that C-4110 can be used as collector in a wide range of pH, while C-4940 is limited to lower pH values. Pseudo first- and pseudo second-order kinetics models were thus applied to the experimental data for pH 2. The information obtained from the kinetics models combined with XPS allowed proposing the adsorption mechanism for the covellite-xanthate derivative pair. The adsorption takes place through a non-covalent interaction for C-4410 and chemisorption process for C-4940. The best-fitting isotherm models for C-4410 and C-4940 adsorption were Redlich–Peterson and Freundlich, respectively, which yield a maximum adsorption capacity of 57.07 mg g 1 for C-4410 and 44.62 mg g 1 for C-4940.CONACYT CB-254952-201