Adsorción de aniones de selenio, diclofenaco y otros contaminantes tóxicos en solución acuosa sobre diversos nanomateriales

Abstract

El agua es un recurso natural necesario para la vida humana y para el desarrollo de otras actividades cotidianas. La contaminación del agua es la causa de muerte de seres vivos y de enfermedades infecciosas en el ser humano. Según la Organización Mundial de la Salud el 80 % de las enfermedades humanas son transmitidas a través del agua y 3.1 % de las muertes se producen por la falta de calidad del agua (Haseena et al., 2017). Fuentes naturales como erupciones volcánicas, deposición de partículas suspendidas en el aire y erosión de minerales contribuyen levemente a la contaminación del agua; sin embargo, la principal causa de contaminación son las actividades antropogénicas (Ahajad et al, 2020). La industria, la urbanización, deforestación, residuos de la agricultura y domésticos han afectado la calidad de ríos, lagos, mantos acuíferos y océanos con contaminantes tóxicos. Cerca del 80 % de la contaminación del agua es consecuencia de un mal tratamiento de las aguas residuales domésticas, y la contaminación causada por residuos industriales es la más peligrosa (Das, 2018; Haseena et al., 2017). Los contaminantes del agua se clasifican en ocho principales categorías: Contaminantes orgánicos; inorgánicos (sales y metales); patógenos; nutrientes y escorrentía agrícola; sedimentos y solidos suspendidos; contaminación térmica; contaminantes radioactivos y nanocontaminantes (Ghangrekar y Chatterjee, 2018). La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos incluyó a varios metaloides, metales y compuestos orgánicos en la lista de contaminantes prioritarios del agua. Algunos de los metales y metaloides más comúnmente encontrados en agua son As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Se, Ag y Zn (Ahamad et al, 2020). Varios de estos se consideran esenciales para la salud del ser humano; sin embargo, también son no-biodegradables, persistentes y bioacumulables. Una ingesta mayor a la necesaria conduce a serios problemas de salud como cáncer, lesiones intestinales, alergias, daños neurológicos, enfermedades de los huesos, daños a los órganos y problemas en el sistema circulatorio, por mencionar algunos (Ghangrekar y Chatterjee, 2018; Schweitzer y Noblet, 2018). Por otro lado, los fármacos son contaminantes orgánicos, clasificados como contaminantes emergentes debido a que, se presentan de forma continua en aguas superficiales, subterráneas y agua potable en concentraciones entre ng/L y μg/L. Se ha reportado que la estructura de los fármacos en el ambiente acuático se puede modificar y convertir en formas activas, y además, sus efectos nocivos en la salud humana no se conocen hasta el momento (Ahamad et al, 2020). Capítulo 1. Introducción 2 Varios procesos se aplican para mejorar la calidad del agua; no obstante, la mayoría de las tecnologías son procesos complicados y presentan elevados costos de operación (Das, 2018). Hoy en día, la adsorción se considera un método eficiente, de bajo costo y con simplicidad de diseño; y puede producir efluentes de alta calidad y algunos materiales adsorbentes se pueden regenerar (Burakov et al., 2018). Este proceso es frecuentemente utilizado en las plantas de tratamiento de aguas residuales y plantas potabilizadoras. Además, la adsorción se ha utilizado para la eliminación de contaminantes del agua tales como colorantes, fármacos y metales pesados (De Gisi et al., 2016; Khadir et al., 2020). Diferentes materiales basados en nanoestructuras se han sintetizado y utilizado para la eliminación de contaminantes del agua (Burakov et al., 2018). Los nanomateriales tienen al menos una de sus dimensiones en escala nanométrica. Poseen características únicas que mejoran la capacidad de adsorción y son capaces de adsorber contaminantes con tamaño molecular variable (Santhosh et al., 2016). Los hidróxidos dobles laminares se han utilizado para eliminar compuestos orgánicos e inorgánicos debido a sus sitios básicos, su morfología y propiedad de transformación en óxido metálico (Li et al., 2014). El óxido grafítico es un material a base de grafeno con una gran variedad de grupos funcionales y anillos aromáticos que lo convierten en un adsorbente efectivo para la eliminación de diferentes contaminantes (Santhosh et al., 2016). Por otro lado, biocompositos de arcillas fibrosas son considerados biosorbentes de bajo costo y una alternativa verde o amigable con el ambiente para la eliminación de diversos contaminantes (Ruiz-Hitzky et al., 2014). Por lo anterior, se propone la aplicación de nanomateriales como adsorbentes de contaminantes inorgánicos y orgánicos en solución acuosa. En este trabajo se emplearán los nanomateriales hidróxido doble laminar calcinado (HDL550), óxido grafítico (OG) y biocompositos de lignina/sepiolita como materiales adsorbentes en solución acuosa. El HDL550 se aplicará para la adsorción de oxianiones de selenio y diclofenaco, y el OG se utilizará para la adsorción individual y simultánea de los fármacos diclofenaco y sulfametoxazol. Se estudiarán los efectos de las condiciones de operación sobre la capacidad de adsorción y se elucidarán los mecanismos de adsorción. Igualmente, se desarrollarán novedosos bionanocompositos a base de lignina Kraft o lejía negra y la arcilla sepiolita como fase dispersa. Se optimizarán los métodos de síntesis y se evaluarán como adsorbentes de metales, fármacos y colorantes.