SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS [MAGNETITA/HKUST-1] Y [RESIDUO ORGÁNICO/MAGNETITA/HKUST-1] PARA LA REMOCIÓN DE PLAGUICIDA

Abstract

En los últimos años la ciencia de materiales se ha desarrollado en diferentes áreas de la investigación, muchas de ellas, para proporcionar un conocimiento científico y tecnológico que facilite el diseño y fabricación de materiales diversos. En este sentido, el desarrollo de materiales compuestos o compositos generan un gran interés por la infinidad de estructuras posibles y su amplia gama de aplicaciones. De la amplia gama de materiales existentes en el mundo, quizá los que más llaman la atención son aquellos cuyas características permiten la formación de materiales compuestos eficientes y de bajo costo. Por este motivo, los residuos agroindustriales se han abierto paso sobre otros materiales y en diferentes áreas. Su uso no solo proporciona materiales con propiedades mejoradas sino también ambientalmente amigables y una nueva propuesta para su disposición final, mitigando los problemas de contaminación relacionados con su mala disposición final. Otra clase materiales de gran interés son aquellos de carácter magnético, como la magnetita (Fe3O4), que en tamaños nanométricos y soportada sobre una matriz puede conferirle al composito la capacidad de ser aislado con facilidad bajo la aplicación de un campo magnético externo. Así mismo, los materiales denominados MOFs (Metal Organic Frameworks) surgen en el área de los materiales como una nueva propuesta alternativa para la captura de gases con la posibilidad de ser empleados en muchos otros ámbitos debido a sus propiedades y la gran variedad de ellos que pueden ser sintetizadas bajo el mismo principio. Áreas como el tratamiento de aguas representan un reciente campo de aplicación para estos materiales. En la misma proporción que la población mundial aumenta, lo hace también la necesidad de alimentos y esto ha traído consigo la aplicación indiscriminada de plaguicidas que surgieron como una alternativa para el control de plagas hace más de 120 años. Este problema de contaminación no es reciente, pero persiste en gran parte del planeta y se agrava día con día. De ello surge la necesidad de encontrar alternativas que permitan disminuir su concentración para eliminar o al menos reducir el riesgo que representa su presencia en los cuerpos de agua. Es por ello que los procesos de adsorción surgen como una alternativa eficiente y sencilla para la remoción de plaguicidas siempre que se apliquen materiales adsorbentes económicos y que no representen un nuevo problema de contaminación en el ambiente. Compositos de varios tipos se han utilizado eficientemente en este tipo de procesos. Es por ello que se propuso sintetizar compositos de carácter magnético utilizando como base residuos agroindustriales, bagazo de caña de azúcar y la cáscara de cacahuate, como soporte del MOF HKUST-1 para la remoción de los plaguicidas atrazina, carbofuran e iprodione desde soluciones acuosas. Para ello, inicialmente, los materiales fueron secados, molidos y lavados. Tres métodos de lavado fueron aplicados al bagazo de los cuales solo uno se consideró adecuado y se utilizó para lavar la cáscara de cacahuate. La capacidad de adsorción del bagazo con respecto al cobre se estableció como base para el crecimiento posterior del MOF en el desarrollo de los compositos. Por el método de coprecipitación, las nanopartículas de magnetita (MNP) fueron soportadas en el bagazo probando para ello diferentes concentraciones y masas que llevaron a establecer las mejores condiciones de síntesis y reproducir esté en el cacahuate. La síntesis del MOF HKUST-1 y el composito [MNP/HKUST-1] mostró ser eficiente y reproducible, por lo que se aplicó con éxito en la generación de los compositos. El bagazo se utilizó en su forma natural (Bo) y de composito magnético [MNP/Bo] para soportar el MOF que dio como resultados los materiales [MNP/HKUST-1 sobre Bo] y [HKUST-1 sobre MNP/Bo]. La cáscara de cacahuate (PSo), por el contrario, solo en su forma magnética [MNP/PSo] fue aplicado como soporte del MOF para dar como resultado el composito [HKUST-1 sobre MNP/PSo]. Grupos funcionales característicos de las fases de los compositos y, en algunos casos, de los plaguicidas removidos se detectaron con el uso de la espectroscopia de infrarrojo con trasformada de Fourier (FTIR). La espectroscopia Raman y de difracción de rayos X permitió establecer las fases en cada uno de los compositos confirmando su presencia como parte del mismo. El área superficial de todos los materiales y los cambios que sufrió durante la síntesis de los compositos fue evidente y determinada por medio del método BET. La Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) permitió observar las diferentes morfologías de los materiales naturales y compositos, a su vez que mapeos químicos de EDS mostraron la distribución de las nanopartículas con respecto al MOF en la superficie de los materiales. Las nanopartículas de magnetita fueron estudiadas por medio de la Microscopia Electrónica de Transmisión (MET) que ayudó a determinar la dispersión de tamaño de las mismas, su forma y presencia. La combinación de ambas técnicas MET y MEB, permitió observar la distribución de las nanopartículas de magnetita en el MOF cuando estas forman parte del cristal, por medio de un escaneo lineal de concentración. La estabilidad térmica de los materiales y compositos se estableció por medio del análisis termo-gravimétrico y la espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X permitió determinar el ambiente químico del cobre una vez adsorbido por la matriz de los compositos. Los estudios de adsorción mostraron que la incorporación de las nanopartículas a los materiales naturales, incrementa su capacidad de adsorción con respecto a los tres plaguicidas removidos (atrazina, carbofuran e iprodione), de la misma manera que la incorporación del MOF HKUST-1 a los compositos aumentan aún más su afinidad por los plaguicidas. Se determinaron tiempos de equilibrio no mayores a los 45min así como procesos de quimisorción sobre superficies heterogéneas se establecieron a través de los modelos cinéticos. Esta información fue complementada con los resultados de las técnicas de caracterización. Las capacidades de adsorción mostradas por los materiales naturales se incrementaron significativamente con la incorporación de las nanopartículas sobre todo en la remoción de carbofuran en ambos materiales y en menor medida para la remoción de iprodione con el material magnético de cascara de cacahuate. De la misma manera, la incorporación del MOF incremento la remoción de los tres plaguicidas pero en menor medida para la atrazina con el composito de la cáscara de cacahuate.