Estudio teórico y experimental del proceso de adsorción de colorantes en cryogel basado en quitosano
Entre los colorantes sintéticos, los colorantes azo-ácidos son ampliamente usados en la industria textil, alimentaria y farmacéutica
Amarillo 5 (FD&C Y5)
Rojo 2 (FD&C R2)
Azul 1 (FD&C B1)
Se caracterizan por tener grupos azóico -N=N- y grupos sulfónicos con propiedades aniónicas
importante remover estos compuestos de los desechos hacía afluentes debido a que cuando se encuentran disueltos impiden el paso de la luz, limitando así la fotosíntesis
Las alternativas para el tratamiento de las aguas residuales son:
Procesos de oxidación
Degradación fotocatalítica
Coagulación
Uso de sistemas biológicos
Adsorción
¡Buena alternativa!
Uso de adsorbentes para el tratamiento de aguas residuales
Hay una gran variedad de biosorbentes usados en procesos de adsorción para la remoción de colorantes en solución acuosa, estos están hechos de biomacromoléculas
Quitosano
Polisacárido formado por D-glucosamina unida a beta-(1-4) y N-acetil-D-glucosamina obtenida de la desacetilación parcial de quitina
La quitina es biocompatible, diodegradable y tiene propiedades antibacteriales
Usado con otros materiales para la síntesis de adsorbentes para aumentar la resistencia mecánica y la capacidad de adsorción
Cryogel
Hidrogel
Los polímeros naturales y artificiales son sintetizados al enfriar el solvente mediante un proceso de congelamiento criotrópico, en el cual el agua se remueve por secado al vacío
El objetivo de esa investigación fue el estudio de la adsorción de estos tres colorantes artificiales disueltos en solución acuosa en cryogel de quitosano con forma de collar
Caracterización del cryogel con forma de collar
Determinación de la humedad usando métodos gravimétricos y colocando masas de cryogel húmedo y secarlo en el desecador hasta que a masa fuera constante
SEM
Características morfológicas
Determinación del área específica
Método de fisisorción de nitrógeno
BET
FTIR
Evaluación de las posibles interacciones
Estudios de adsorción
Al cryogel se le agregó soluciones de los colorantes con una concentración inicial de 250mg/L a diferentes valores de pH (2, 2.5, 3, 4, 5, 6, y 7) por 72 h a 303.15 K
La cinética de adsorción se midió a diferentes tiempos (0.5, 1, 4, 8, 16, 24, 36, 48, 60, 72 h) para cada colorante a diferentes temperaturas (283.15, 303.15, 323.15 K)
Los estudios de equilibrio de adsorción se llevaron a cabo con los tres colorantes analizando el efecto de diferentes concentraciones iniciales para cada colorante (150, 200, 250 300, 350, 400 y 450 mg/L) a las tres temperaturas mencionadas anteriormente
Detalles de la simulación computacional
Uso de analisis computacional para determinar la espontaneidad de las reacciones y las propiedades estructurales de los procesos de adsorción
Simulaciones con Monte Carlo para determinar los procesos de adsorción a diferentes las temperaturas
Síntesis del cryogel de quitosano
Se sintetizó con geometría semi-esférica, liofilizado para que fuera suave y resistente a la fricción, con consistencia semirigida, de color blanquecino. Con resistencia a la agitación y a las variaciones del pH
Prueba de punto de carga neutra
La carga superficial del cryogel a valores diferentes de pH se ve modificado por la alta concentración de protones en solución
pH ácidos favorecen la presencia de cargas catiónicas
El cryogel está hecho de fibras, las cuales forman redes porosas
EDS
Se confirma la presencia de nitrógeno
(Atribuido a los grupos amino, NH2, del quitosano)
Área de 40.93 m^3/g
Volumen del poro de 0.0517 cm^3/g
Diámetro promedio de los poros de 5.05 nm
Isotermas de adsorción de N2 son de tipo 3 (IUPAC)
Típica de materiales no porosos o de adsorbentes macroporosos
Ciclo de histéresis de tipo H4 (IUPAC)
Característico de materiales con poros estrechos
La adsorción presenta una fuerte dependencia del pH de la solución debido a la protonación de los grupos amino del biopolímero
El posible mecanismo de adsorción de los colorantes en el cryogel de quitosano es guiado por la interacción electrostática entre los grupos amino protonados del quitosano y los grupos aniónicos del colorante
Para determinar con mayor certeza el mecanismo involucrado en la adsorción, se hicieron modelados matemáticos de los datos experimentales a las tres temperaturas propuestas para cada colorante, con cinética de pseudo-pimer orden, pseudo segundo orden y Elovich respectivamente
La temperatura tiene un efecto en la velocidad de adsorción ya que k2 aumenta con la temperatura
Lo cual sugiere que sólo modifica la velocidad de difusión de los elementos en solución, facilitando el transporte de masa
Se asume que el adsorbato interactúa con dos sitios activos del material adsorbente
El mecanismo de adsorción se ve favorablemente llevado a cabo por quimisorción debido a que la velocidad de adsorción disminuye cuando la superficie del adsorbente se satura
Isotermas de adsorción
Se observa que la capacidad de equilibrio aumenta con la concentración
La temperatura no tiene un efecto notable en Y5 y R2, mientras que para B1 si hay un efecto relacionado con la temperatura
(cuando la temperatura disminuye, la capacidad de adsorción incrementa, lo que indica que el efecto es relativamente pequeño)
El mecanismo de adsorción que mejor se ajusta a las isotermas en el modelo de Sips, el cual asume que las moléculas de colorante son adsorbidas por interacciones electrostáticas colorante-cryogel
Esto facilita la formación de la monocapa y sugiere la existencia de interacción de multicapas o sitios multiples de adsorción para las moléculas de colorante
Se ha observado que el quitosano es un componente capaz de protonarse (NH2 » NH3+) para mantener a las moléculas de colorante aniónicas
Incremento en la temperatura produce un incremento en la negatividad de la energía libre de Gibbs, indicando que la adsorción es un proceso espontaaneo debido a la difusión interna de los colorantes
El tamaño de partícula del colorante no produce algún efecto estérico, por lo tanto la adsorción depende del área superficial, volumen, carga iónica, comportamiento hidrofílico, interacciones electrostáticas, la habilidad de formar especies ionizables de los colorantes y de la estructura química de ECC.
Atribuido al intercambio de iones resultado de las interacciones electrostáticas de los grupos amino del cryogel
Tarea 3
Fundamentos de Catálisis Heterogénea
Eduardo Domínguez-Ojeda