Remoción de cadmio (ii) en solución acuosa por adsorción sobre hidrocarbonizado de lirio acuático

Abstract

La contaminación por metales pesados en México es un problema que ha estado aumentando debido a las actividades antropogénicas, específicamente la minería. Los metales contaminantes más importantes en México, dada su toxicidad y abundancia son: mercurio, plomo, cadmio y cromo. En México, los sitios más afectados por las altas concentraciones de metales pesados en suelos se encuentran en los estados de Zacatecas, Querétaro, Hidalgo y San Luis Potosí. Entre los metales más tóxicos para el ser humano se encuentran Cd(II), Hg(II) y Pb(II), son peligrosos ya que presentan varias de las características más dañinas de un compuesto tóxico. Primeramente, causan efectos adversos al ser humano provocando alteraciones a nivel enzimático, renal, respiratorio y digestivo. Además, se pueden bioacumular, son persistentes en el medio ambiente y pueden ser transportados largas distancias gracias al viento y las corrientes y fuentes de agua. Una alternativa para reducir la contaminación de metales pesados es el uso de especies vegetales para eliminar a los metales pesados tanto del agua como del suelo. En México, se han caracterizado varias especies vegetales con capacidad para bioacumular metales pesados tales como Scirpus americanus, Typha latifolia, Jatropha dioica, Eichhornia crassipes y Amaranthus hybridus. El lirio acuático (Eichhornia crassipes) es una planta invasiva, la cual puede causar un impacto negativo en lagos y charcas, sino se mantienen bajo control. El lirio acuático puede cubrir completamente fuentes de agua superficial, impidiendo que la luz del sol llegue a las plantas acuáticas nativas afectando la fotosíntesis y agotando el oxígeno del agua. Esta planta presenta alta capacidad de captación de metales pesados tales como Cd(II), Cr(III), Co(II), Ni(II), Pb(II) y Hg(II), y puede ser utilizada para la biorremediación de aguas residuales industriales y suelos contaminados. En la carbonización hidrotermal (CHT), la materia orgánica se descompone bajo la influencia de la temperatura y en presencia de agua. El agua se encuentra a una temperatura por encima de su punto de ebullición y la presión del sistema es autógena. La CHT es un proceso exotérmico capaz de reducir la cantidad de oxígeno e hidrógeno del material carbonoso generado respecto al del material precursor. La degradación de la biomasa empieza con una reacción de hidrólisis que requiere baja energía de activación. Los componentes de la biomasa resultan menos estables, por tanto, se requieren menores temperaturas de reacción. En este proceso, se transforma casi todo el carbono del material vegetal en un material carbonoso (100 % eficacia en cuanto al uso del carbono); todo esto, sin liberar ni CO2, ni metano. El hidrocarbonizado (HC) es distinto del biocarbonizado (BC) debido a su proceso de producción y sus propiedades, y el HC típicamente tiene mayores relaciones H/C y menor aromaticidad que el BC, así como escasas o ninguna estructura de anillo aromático. El HC tiene muchas aplicaciones ya que puede ser utilizado para propósitos energéticos, procesos de mejoramiento del suelo, y también, produciendo adsorbentes, catalizadores y materiales nanoestructurados. La adsorción es una de las principales aplicaciones de los materiales carbonosos. Al contrario que los carbones activados, el HC hidrotratado a 180 ºC no presentan microporosidad, pero contiene un gran número de grupos oxigenados localizados en la superficie, favoreciendo la adsorción de metales pesados. El objetivo principal de este trabajo es sintetizar un hidrocarbonizado de lirio acuático (HCLA) por medio de un tratamiento hidrotermal del lirio acuático natural (LAN) y modificar el LAN y HCLA con solución de ácido cítrico (AC) para incrementar la capacidad para adsorber Cd(II). Los materiales de LAN y HCLA modificados con ácido cítrico se designaron como HCLA-AC y LAN-AC. Los adsorbentes preparados se caracterizaron por diversas técnicas analíticas. Se determinaron las capacidades de LAN, LAN-AC, HCLA y HCLA-AC para adsorber Cd(II) y otros metales en solución acuosa y las capacidades de adsorción decrecieron en el orden siguiente HCLA-AC > LAN-AC > HCLA > LAN. Se analizaron los efectos de las condiciones de operación en las capacidades de adsorción de los materiales adsorbentes y se elucido el mecanismo de adsorción de Cd(II) sobre los cuatro materiales.