Remoción de cadmio de medios acuosos utilizando adsorbentes de gel de sílice funcionalizados con cisteína

Abstract

En este trabajo de tesis se utilizó un adsorbente de gel de sílice funcionalizado con cisteína (SG-3-CYS-1) sintetizado mediante el proceso sol-gel usando la metodología reportada en la literatura para remover los iones Cd(II) del medio acuoso. Se caracterizó SG-3-CYS-1 antes y después de captar Cd(II) (SG-3-CYS-1-Cd). Primero se realizó un experimento de captación de Cd(II) en once adsorbentes sintetizados previamente a distintos pH característicos de aguas de desecho (3, 5 y 7), donde el adsorbente SG-3-CYS-1 obtuvo la mayor captación de Cd(II) con una q de 77.99 mg g-1 a pH 3. Se realizaron experimentos de cinética de adsorción para estudiar la velocidad de adsorción de Cd(II), modificando los tiempos de contacto (5 – 960 min) a pH 4. Se ajustaron los datos experimentales a un modelo cinético de los siguientes tres modelos, pseudo-primer orden, pseudo-segundo orden y difusión intraparticular. La cinética de adsorción mostró un tiempo de equilibrio de 240 min y el modelo cinético al que mejor se ajusto fue pseudo-segundo orden. Se obtuvieron datos de isotermas de adsorción de Cd(II) a partir de experimentos variando la concentración inicial del metal (50 – 1000 ppm) y el pH (3 – 6) de la solución. Se ajustaron los datos experimentales a los modelos de isotermas de Langmuir, Freundlich y Temkin, con la finalidad de definir el tipo de interacción entre el material y el cadmio. Las isotermas de adsorción mostraron una captación máxima de 21.5 mg g-1 a pH 7 y el modelo al que se ajustan los datos experimentales es el modelo de Langmuir. Se determinó el efecto de temperatura sobre la eficiencia de adsorción a partir de isotermas de adsorción, variando la temperatura (25, 35 y 50 °C). Concluyendo que a 35 °C se lleva a cabo la mejor adsorción y a 50 °C la menor adsorción. Además se estudió la termodinámica del proceso donde los resultados mostraron que el proceso es de naturaleza espontánea y de carácter endotérmico. Se realizaron experimentos de selectividad para estudiar la reactividad de los grupos cisteína hacía el cadmio en presencia de una solución multicatiónica. Donde el adsorbente tuvo una gran afinidad al catión Pb(II) con un porcentaje de remoción del 70.5%. El re-uso de SG-3-CYS-1 fue estudiado a través de experimentos de ciclos de adsorción/desorción de Cd(II), donde se realizaron cinco ciclos elegidos aleatoriamente. La desorción se llevó a cabo con ácido nítrico (HNO3). Los resultados mostraron que v SG-3-CYS-1 tiene buena regeneración ya que durante los cinco ciclos tuvo una pérdida de eficiencia de remoción de Cd(II) de tan solo el 12.6%. Se caracterizó química y estructuralmente el adsorbente SG-3-CYS-1 y SG-3-CYS-1-Cd mediante distintas técnicas analíticas. Se utilizó la técnica de adsorción de nitrógeno para conocer acerca de la superficie del adsorbente, su distribución de poro, su tamaño de poro y área específica. Con los resultados se demostró que se tiene un material mesoporoso. El análisis termogravimétrico se realizó para conocer la estabilidad térmica del adsorbente SG-3-CYS-1 y SG-3-CYS-1-Cd. Los resultados indicaron que el adsorbente SG-3-CYS-1 es estable hasta una temperatura de 207 °C y el adsorbente SG-3-CYS-1-Cd hasta una temperatura de 180 °C. La técnica de Infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR-ATR) permitió conocer los grupos funcionales del adsorbente SG-3-CYS-1, así como su interacción con Cd(II). Donde se observó que la parte orgánica del adsorbente se encuentra de forma zwitterionica y la unión de la cisteína fue mediante el enlace C-S. Después de remover Cd(II) se observan cambios en la intensidad de señales dadas por el carbonilo, por lo cual se propone que la adsorción de los iones Cd(II) se lleva a cabo por el grupo carboxílico interactuando 2 cisteínas por cada ion de Cd(II). La técnica de resonancia magnética nuclear (RMN) permitió conocer el patrón de entrecruzamiento de la red de óxido de silicio, los resultados indicaron que la matriz de sílice se formó correctamente. También se emplea para conocer si el precursor orgánico se unió adecuadamente a la red de silicio, con los resultados se concluyó una correcta unión entre la cisteína y la red de silicio. Para conocer el ambiente químico que rodea a cada átomo y los enlaces existentes en la superficie del adsorbente SG-3-CYS-1 se utilizó la técnica de espectroscopia fotoeléctrica de rayos X (XPS). Al analizar los resultados se corroboró la naturaleza zwitterionica del adsorbente y que la adsorción de Cd(II) fue mediante el grupo carboxílico.