Equilibrio y cinética de adsorción de metales pesados en solución acuosa sobre nanomateriales de carbono

Abstract

Se estudió la velocidad de adsorción de los cationes metálicos, Cd(II), Cu(II), Zn(II) y Ni(II) en solución acuosa sobre Fibra de Carbón Activado (FCA) y los datos experimentales se interpretaron satisfactoriamente por el modelo de difusión en el volumen del poro (MDVP). Además, se encontró que la difusión intrafibra de los cationes metálicos se ve obstaculizada o restringida considerablemente por efectos de exclusión, fricción y obstrucción. La difusión restringida de cationes metálicos en la adsorción en FCA se analizó e interpretó satisfactoriamente utilizando las correlaciones reportadas en la literatura. Se llevó a cabo un estudio cinético detallado para diferentes sistemas de adsorción, por medio de los modelos cinéticos de pseudo primer orden (PFO), pseudo segundo orden (PSO), orden n, Elovich y Bangham. Además, se evaluó el efecto de la cantidad adsorbida sobre los valores de las constantes cinéticas y se demostró la importancia de la cantidad y distribución de los datos experimentales en el cálculo de las constantes cinéticas de adsorción. Se sintetizó un xerogel orgánico (XO) nanoestructurado a partir de fenol y formaldehído y se comparó su capacidad para adsorber Cd(II) con xerogeles orgánicos conteniendo las arcillas sepiolita y vermiculita (XO-Sep y XO-Ver). En este estudio se demostró que la adición de arcillas incrementó la capacidad para adsorber Cd(II), las capacidades de adsorción decrecieron en el orden siguiente: XO-Sep > XO-Ver > XO. La caracterización completa de estos materiales reveló que los xerogeles cuentan con estructura mesoporosa, morfología esférica y presentan carácter ácido. Se evaluaron los efectos del pH, temperatura y fuerza iónica de la solución y los resultados revelaron que el mecanismo de adsorción involucra principalmente interacciones electrostáticas entre el catión metálico y la superficie del adsorbente cargada negativamente. Además, se encontró una contribución parcial de intercambio catiónico. Por último, se sintetizó eco-grafeno (EG) por una ruta de síntesis amigable con el medio ambiente, y se modificó su química superficial, incrementando la selectividad del material hacia el catión metálico Cd+2. La capacidad de adsorción del EG se incrementó considerablemente al modificar su estructura química y se evaluó el efecto de las condiciones de operación en la capacidad de adsorción del EG modificado. Los resultaos indicaron que las fuerzas electrostáticas e intercambio iónico juegan un papel importante en el proceso de adsorción de Cd(II) sobre EG.

The adsorption rate of the metallic cations of Cd(II), Cu(II), Zn(II) and Ni(II) in an aqueous solution on Activated Carbon Fiber (ACF) was studied, and the experimental data were satisfactorily interpreted by the pore volume diffusion model (MDVP). In addition, it was found that intrafiber diffusion of metal cations is considerably hindered or restricted by exclusion, frictional, and obstruction or blocking effects. The restricted or hindered diffusion of metal cations during adsorption on ACF was successfully analyzed and interpreted using correlations reported in the literature. A through kinetic study in different adsorption systems was carried out using pseudo-first order (PFO), pseudo second order (PSO), nth order, Elovich and Bangham kinetic models. In addition, the effect of the mass adsorbed on the values of the kinetic constants was evaluated, and the importance of obtaining sufficient and well-distributed experimental data in calculating the adsorption kinetic constants was demonstrated. A nanostructured organic xerogel (XO) was synthesized from phenol and formaldehyde, and its capacity for adsorbing Cd(II) was compared with organic xerogels containing sepiolite and vermiculite clays (XO-Sep and XO-Ver). This study showed that adding clays increased the adsorption capacity towards Cd(II), and the adsorption capacities decreased in the following order: XO-Sep > XO-Ver > XO. The complete characterization of these materials revealed that the xerogels have a mesoporous structure, spherical morphology, and an acidic surface nature. The effects of pH, temperature and ionic strength of the solution were evaluated, and the results revealed that the adsorption mechanism mainly involves electrostatic interactions between the metal cation and the negatively charged surface of the adsorbent. In addition, a partial contribution of cation exchange was found. Finally, an eco-graphene (EG) was synthesized by an environmentally friendly synthesis route, and its surface chemistry was modified, increasing the selectivity of the EG towards the Cd+2 metal cation. The EG adsorption capacity increased considerably by modifying its surface chemical characteristics, and the effect of operating conditions on the adsorption capacity of modified EG was evaluated. The results indicated that electrostatic forces and ion exchange play an essential role in the adsorption of Cd(II) on the modified EG.