Adsorción de Hg(II) en disolución acuosa sobre materiales basados en TIO2

Abstract

El mercurio ha sido catalogado como uno de los metales pesados más tóxicos que se encuentran en la naturaleza, siendo las actividades humanas la principal causa del incremento gradual del contenido de este metal en el ecosistema. Tiene diversos efectos adversos sobre la salud humana y el medio ambiente a nivel mundial. Con la finalidad de reducir progresivamente el impacto de este metal pesado en los seres vivos, la normativa nacional e internacional en materia ambiental es cada vez más estricta. Inherente a esta acción, surge la necesidad de poder eliminar el mercurio del agua o al menos reducir su concentración. El tratamiento de las aguas contaminadas con mercurio cuenta actualmente con una serie de técnicas y tecnologías denominadas convencionales, tales como la precipitación la coagulación, el intercambio iónico, la separación con membranas, la reducción o la adsorción. Sin embargo, la mayor parte de estos métodos requieren alta energía o grandes cantidades de productos químicos. En la última década se han propuesto nuevas tecnologías más avanzadas, como la fotocatálisis heterogénea, así como el perfeccionamiento de algunas tradicionales, tales como la adsorción. Se ha demostrado que la fotocatálisis heterogénea puede ser una tecnología prometedora con muchas aplicaciones en el medio ambiente. La fotocatálisis se ha utilizado para eliminar tóxicos, fundamentalmente compuestos orgánicos, pero también se ha propuesto para retirar contaminantes inorgánicos y metales pesados (entre ellos el mercurio) de las aguas residuales. En las reacciones fotocatalíticas los iones metálicos son eliminados de la disolución por reducción y deposición sobre el catalizador, pudiéndose alcanzar el estado metal. Sin embargo, se ha comprobado que existen escasos estudios acerca de la etapa de adsorción que precede a la fotocatálisis y que resulta fundamental para alcanzar buenos rendimientos de eliminación de los contaminantes. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, en este estudio se ha analizado el proceso de adsorción de Hg(II) en disolución sobre materiales adsorbentes basados en TiO2. Para ello, se han escogido materiales sintetizados por medio de dos procedimientos diferentes. Uno de ellos se basa en el método sol-gel. El otro consiste en la formación de nanotubos de titanato, y se lleva a cabo mediante un método químico con presión autógena. El comportamiento de estos materiales se ha comparado con el material comercial TiO2 Degussa P25. En primer lugar, se han llevado a cabo ensayos para estudiar la cinética del proceso de adsorción. Estos experimentos se realizaron con una concentración inicial de Hg(II) de 100 mg/L. A partir de estos experimentos se determinó el tiempo de equilibrio y los resultados han sido analizados en términos de modelos semiempíricos. Además, se han realizado experimentos de equilibrio con el fin de obtener las isotermas de adsorción, así como para estudiar las capacidades de adsorción en diferentes condiciones, y proponer de ese modo las más adecuadas para el proceso de adsorción. Para ello, se efectuaron experimentos de adsorción en las mismas condiciones de trabajo que las empleadas en los ensayos cinéticos, salvo la concentración de Hg(II), que se varió entre 5 y 250 ppm. En este proyecto se ha analizado la influencia del pH del medio, que ha sido modificado entre valores de 2 y 10, sobre la cinética y la capacidad de adsorción del Hg(II) de los adsorbentes basados en TiO2. Según los resultados obtenidos, se ha demostrado que un aumento del pH es favorable para el proceso de adsorción. Por ejemplo, empleando nanotubos como material adsorbente se consigue elevar la capacidad de adsorción desde 14 mg/g a pH 2 hasta 100 mg/g a pH 10, partiendo de una concentración inicial de Hg(II) de 200 mg/L. También se ha comprobado que en idénticas condiciones de pH, los nanotubos de titanato ofrecen los mayores valores de capacidad de adsorción de Hg(II), seguidos del TiO2 sintetizado por el método sol-gel y del dióxido de titanio comercial P25. El estudio cinético ha desvelado que la velocidad aumenta al incrementarse el pH. El ajuste de los datos experimentales con modelos teóricos ha determinado que el proceso de adsorción de Hg(II) sobre materiales basados en TiO2 sigue una cinética de pseudo-segundo orden. En cuanto a los distintos materiales adsorbentes empleados, se ha encontrado que el sólido sintetizado vía sol-gel presenta una cinética más lenta que los otros dos. Por otra parte, el ajuste de los resultados de los ensayos de equilibrio realizados con los modelos semiempíricos de equilibrio de adsorción definidos por Freundlich, Langmuir y Sips, ha desvelado que la isoterma de este último modelo es capaz de representar adecuadamente el comportamiento del sistema estudiado en todo el intervalo de concentración de Hg(II) analizado. La última parte de esta investigación se ha centrado en el análisis de la influencia que tiene sobre el proceso de adsorción la adición de moléculas orgánicas tales como el metanol y el ácido fórmico en función del pH, entendiendo dicha operación como paso previo a la reducción fotocatalítica del Hg(II), donde dichas especies son muy influyentes. Se ha observado que el metanol apenas repercute sobre la capacidad de adsorción y que el fórmico mejora el proceso a pH natural y pH 7 debido a la interacción entre este producto y la superficie protonada del adsorbente. Tras analizar los resultados obtenidos a lo largo de la experimentación puede concluirse que el empleo de materiales generados a partir de TiO2 comercial supone una notable mejora en la adsorción de Hg(II) en disolución acuosa. Se han estudiado productos generados mediante dos vías principales, concluyendo que las mayores capacidades pueden obtenerse utilizando un novedoso material nanoestructurado constituido por nanotubos de titanato.