Desarrollo de adsorbentes empleando microesferas de materiales biohíbridos de halloysita-alginato

Abstract

El desarrollo de bionanocompositos en forma de microesferas y su aplicación en la adsorción de Cd(II) fue investigada en esta tesis. Los bionanocompositos se sintetizaron a partir de la arcilla natural halloysita (Hy) y el biopolímero alginato (Alg). Las esferas fueron sintetizadas por goteo de la solución del bionanocomposito en CaCl2(ac). La determinación de las propiedades químicas y físicas de los materiales se realizó mediante FTIR-ATR, TGA, SEM-EDS, potencial zeta, capacidad de intercambio catiónico (CIC) y aniónico (CIA). Estos resultados demostraron que los materiales precursores interaccionan mediante fuerzas de atracción débiles como puente de hidrogeno y fuerzas electrostáticas entre el grupo carboxilo del Alg y los grupos hidroxilo de la Hy. La evaluación de la capacidad de adsorción de los materiales con diferente contenido de Hy para adsorber Cd(II) mostró que los materiales sintetizados presentaron una mayor capacidad de adsorción (hasta 5 veces) comparada con la arcilla natural. El estudio del equilibrio de adsorción de los materiales reveló que las máximas capacidades de adsorción fueron de 8, 65, 88 y 132 mg/g de Cd(II) para los materiales Hy, Hy/Alg 50%, Hy/Alg 95% y Alg, respectivamente. El estudio del efecto del pH y temperatura de la solución sobre el equilibrio de adsorción de los materiales Hy/Alg 50% y Hy/Alg 95%, demostró que las mejores condiciones para adsorber Cd(II) son pH 7 y 25 °C. El proceso de adsorción-desorción a pH de 7 y 3 es reversible para ambos materiales sintetizados. El mecanismo que gobierna el proceso de adsorción de Cd(II) sobre los materiales híbridos es intercambio catiónico, significativamente influenciado por fuerzas electrostáticas. RESUMEN Los estudios de velocidad de adsorción de Cd(II) fueron interpretados favorablemente por el modelo de difusión-permeación con porcentajes de desviación bajos sobre los materiales Alg, Hy/Alg 95% y Hy/Alg 50%.

In this thesis, the development of bionanocomposites materials as microspheres and their application in the Cd(II) adsorption was investigated. The bionanocomposites were prepared from the natural clay halloysite (Hy) and the alginate biopolymer (Alg). The spheres were synthesized by dripping the bionanocomposite solution into a CaCl2 solution. The determination of the chemical and physical properties of the materials was obtained by FTIR-ATR, TGA, SEM-EDS, zeta potential, cation exchange capacity (CEC), and anionic exchange capacity (AEC). These results demonstrated that the precursor materials interact through weak attractive forces such as hydrogen bond and electrostatic forces between the carboxyl group of Alg and the hydroxyl groups of Hy. The adsorption capacity of the materials with different Hy content towards Cd(II) showed that these materials had a higher adsorption capacity (up to 5 times) compared to pristine clay. In the equilibrium, the maximum adsorption capacities were: 8, 65, 88, and 132 mg/g of Cd(II) for the materials Hy, Hy/Alg 50%, Hy/Alg 95%, and Alg, respectively. The effect of the pH and temperature of the solution on the adsorption equilibrium of the materials Hy/Alg 50% and Hy/Alg 95% was also evaluated. Results show that the best conditions to adsorb Cd(II) are pH 7 and 25 °C. The adsorption-desorption process at pH of 7 and 3 is reversible for both synthesized materials. The mechanism that governs the adsorption process of Cd(II) on hybrid materials is cation exchange, significantly influenced by electrostatic forces. The kinetic studies of Cd(II) adsorption were interpreted favorably by the diffusion-permeation model with low percentages of deviation on the Alg, Hy/Alg 95% and Hy/Alg 50% materials.