Preparación de materiales carbonosos a partir de filtros de cigarro para aplicaciones ambientales

Abstract

En este trabajo se sintetizaron carbones activados (CAs) a partir de colillas de cigarro (CC) mediante activación química con KOH empleando un diseño de experimentos de superficie de respuesta para evaluar la estructura y morfología de los CAs en función de las condiciones de síntesis. Las variables del diseño fueron la temperatura de activación, el tiempo de activación y la masa de KOH. La caracterización fisicoquímica de los CAs se evaluó mediante la determinación de sus propiedades texturales y químicas mediante fisisorción de N2 a 77 K, microscopia SEM, espectroscopia FTIR-ATR, espectroscopía Raman, punto de carga cero (pHPZC) y determinación de sitios activos. Los CAs se emplearon para adsorber fenol, azul de metileno y rodamina en solución acuosa. Los resultados del diseño de experimentos mostraron que la temperatura y el porcentaje de agente activante fueron las variables más significativas durante la evolución del área específica. El material 5 activado a 600 °C y una relación en peso 3:1 g KOH por 1 g carbón presentó la mayor área específica siendo de 2080 m2/g. La caracterización textural demostró la obtención de materiales microporosos con áreas entre 576 y 2080 m2/g y diámetros promedios de poro de 1.7 a 2.1 nm. La naturaleza química de la superficie de los 14 materiales fue heterogénea es decir se obtuvieron superficies básicas, neutras y ácidas con un rango de pHPZC entre 4 y 8.5. Los estudios de equilibrio evidenciaron que la adsorción se vio favorecida a pH 7 para el Fenol con una qe,máx=314.95 mg/g, a pH 11 para el AM con una qe,máx=745 mg/g y a pH 3 para Rhd B con una qe,máx=469.47 mg/g. Además, se comprobó que el mecanismo que gobierna el proceso de adsorción son las interacciones dispersivas del tipo 𝜋−𝜋 para los tres compuestos. Para el caso del AM la capacidad de adsorción también se vio influenciada por las interacciones electrostáticas.

In this work, activated carbons (ACs) were synthesized from cigarette butts (CB) by chemical activation with KOH using a response surface experimental design to evaluate the structure and morphology of the ACs as a function of the synthesis conditions. The design variables were activation temperature, activation time and mass of KOH. The physicochemical characterization of the CAs was evaluated by determining their textural and chemical properties by N2 physisorption at 77 K, SEM microscopy, FTIR-ATR spectroscopy, Raman spectroscopy, point of zero charge (pHPZC) and active site determination. CAs were used to adsorb phenol, methylene blue (MB) and rhodamine (Rdh B) in aqueous solution. The results of the experimental design showed that temperature and the activating agent percentage were the most significant variables during the evolution of the surface area. Material 5 activated at 600 °C and a weight ratio of 3 g KOH per 1 g carbon presented the highest specific area being 2080 m2/g. The textural characterization showed the obtaining of microporous materials with areas between 576 and 2080 m2/g and average pore diameters from 1.7 to 2.1 nm. The chemical nature of the surface of the 14 materials was heterogeneous, i.e. basic, neutral, and acid with a pHPZC range between 4 and 8.5. Equilibrium studies evidenced that adsorption was favored at pH 7 for phenol with a qe,max=314.95 mg/g, at pH 11 for MB with a qe,max=745 mg/g and at pH 3 for Rhd B with a qe,max=469.47 mg/g. Furthermore, the mechanism governing the adsorption process was found to be dispersive interactions of the π-π type for all three compounds. For the case of AM the adsorption capacity was also influenced by electrostatic interactions.