Los estudios que se han realizado en la presente tesis doctoral se basan en el desarrollo de
una metodología de síntesis y caracterización de sistemas nanoestructurados como recurso
innovador para la recuperación de arsénico en efluentes contaminados y la depuración de
dichos efluentes. Estos materiales tienen como elemento común, el uso de las
Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION), con las que se han realizado
diferentes estudios de adsorción para evaluar los parámetros de adsorción óptimos (tiempo
de contacto, efecto del pH y de la concentración). Dichos estudios han permitido determinar
la máxima capacidad de adsorción del SPION a la hora de extraer el elemento contaminante
y observar como se ve afectada dicha capacidad de adsorción, en función de la especie
existente del elemento contaminante. La elección de SPION se fundamenta en el empleo de
la fuerte interacción Fe-As demostrada en muchos compuestos naturales, así como por su
capacidad magnética. A partir de éste estudio, se han desarrollado diferentes sistemas
adsorbentes en modo no soportados, basados en la funcionalización del SPION
(NanoComposites) o bien empleando sistemas soportados, ya sean con esponja de celulosa
(Forager® Sponge) impregnada de SPION o los más novedosos, sistemas basados en
nanofibras (de acetato de celulosa y poliacrilonitrilo). En este último caso, dichos sistemas
son sintetizados vía electrospinning y cargados con SPION con el objetivo de incrementar la
superficie específica de adsorción y facilitar su posible aplicación en muestras reales.
Todos los sistemas desarrollados disponen de un valor añadido, ya que las propiedades
magnéticas del SPION permiten recuperar las nanopartículas que pueden quedar expuestas
en las disoluciones contaminadas de una manera rápida y efectiva, evitando así, una
contaminación con nanopartículas del efluente tratado.
El trabajo realizado, ha permitido optimizar tanto la síntesis de SPION, vía co-precipitación,
como el desarrollo y caracterización de los sistemas adsorbentes. Adicionalmente, tras
determinar la máxima capacidad de adsorción para cada uno de los sistemas, se ha
estudiado la selectividad de dichos sistemas por las especies de arsénico en presencia de
iones metálicos (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) y/o de los aniones más comunes en aguas (cloruro, nitrato,
sulfato y fosfato).
En lo referente a los estudios de especiación, se han aplicado técnicas de especiación directa
(técnicas de radiación sincrotrón) e indirecta (acoplamiento HPLC-ICP-MS) para determinar
la selectividad de los materiales frente a las diferentes especies inorgánicas de arsénico
(arsenito o arsenato), obteniéndose resultados satisfactorios que denotan una elevada
selectividad por As(V).
Por otra parte, se han evaluado las características y propiedades de los diferentes sistemas
adsorbentes. Dicha actividad ha comportado el empleo de diversas técnicas analíticas, desde
la microscopia (SEM y TEM) que permiten conocer el tamaño, distribución y morfología de
las nanopartículas y nanofibras, hasta técnicas que proporcionan información sobre las
características estructurales y propiedades físico-químicas de los materiales.
Así pues, los estudios llevados a cabo para la realización de esta tesis doctoral proporcionan
un significativo avance en el desarrollo de una serie de potenciales sistemas adsorbentes, los
cuales pueden ser aplicados para la eliminación de contaminantes altamente tóxicos como el
arsénico en muestras reales. Dicha aplicación, se caracteriza por unos valores de eficiencia,
eficacia y selectividad comparables, cuando no superiores a materiales existentes en el
mercado. Un ejemplo de la transferencia tecnológica derivada de esta tesis doctoral, es la
patente solicitada “Filtro de tratamiento de líquidos con nanopartículas de magnetita y
procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 y con fecha de prioridad del 6 de
Febrero de 2013. / The studies that have been carried out in the present PhD thesis Project are based in the
development of a synthesis methodology and characterization of nanostructured systems as
an innovative facility for the recovery of arsenic from contaminated effluents and the
purification of these effluents. These adsorbent materials have a base element,
Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION). With this nanoparticles have carried
out arsenic adsorption experiments to evaluate the optimum adsorption parameters
(contact time, pH effect and concentration effect). These studies have made it possible to
determine the maximum adsorption capacity of SPION when the contaminant element is
extracted, observe how is affected this adsorption capacity depending of the contaminant
element existing specie.
It is expected to use the high affinity and string interaction between Fe-As as it is proved in
several natural compounds. Then, taking into account the previous work with SPION,
different adsorbent systems have been developed, non-supported nanostructured systems
by SPION surface functionalization (NanoComposites) or supported nanostructured systems
as SPION loaded over a cellulose sponge (Forager® Sponge) and the most innovative, SPION
loaded electrospun nanofibrous systems (with polymers such as cellulose acetate and
polyacrylonitrile). In this last case, these systems have been synthesized by electrospinning
techniques with the main aim of increase the specific surface area and to make easier the
real sample applications.
These nanostructured systems have an added value because of the SPION magnetic
properties let recover the nanoparticles that are exposed in the contaminates solutions in a
quick and effective way, avoiding then, an unwanted contamination with nanoparticles of
the treated effluent.
The developed work have made possible the SPION Synthesis by co-precipitation method
was optimized and the development and characterization of the nanostructured adsorbent
systems were performed successfully. Thus, apart from the maximum adsorption capacity
determination for each system, arsenic selectivity of this systems was performed in presence
of metal ions (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) and/or in presence of most common interfering anions in
water (chloride, nitrate, sulphate and phosphate).
Regarding the speciation studies, direct (Synchrotron radiation techniques) and indirect
(Hyphenated HPLC-ICP-MS) speciation techniques were put in practice to determine the
selectivity of each system for the different inorganic arsenic species, arsenite or arsenate,
obtaining successfully results of the arsenate selectivity for all systems.
Furthermore, the characteristics and the properties of the adsorbent systems have been
evaluated. Several techniques have been used, from microscopic techniques (SEM y TEM)
that let measure and understand the size, distribution and morphology of nanoparticles and
nanofibers, to other techniques as X-ray diffraction (XRD) or magnetization measures
(SQUID) that provide information about structural characteristics and physico-chemical
properties.
All in all, this work provides knowledge, demonstrated advances and different
nanostructured adsorbent systems that can be potentially applied to remove highly toxic
contaminants such as arsenic. An example of the appropriate technologic transference
derived from the PhD. Thesis is the Spanish Patent “Filtro de tratamiento de líquidos con
nanopartículas de magnetita y procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 with
priority date on Febrery 6th, 2013.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/129335 |
| Date | 22 November 2013 |
| Creators | Morillo Martín, Diego |
| Contributors | Valiente Malmagro, Manuel, Pérez González, Gustavo, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 387 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
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