Efecto del recubrimiento en la movilidad de nanopartículas de hierro de valencia cero en medios granulares saturados

Abstract

"Los acuíferos son la principal fuente de obtención de agua en zonas áridas y semiáridas, su disponibilidad es limitada cuando son contaminadas por actividades antropogénicas. Una alternativa de remediación son las nanopartículas de hierro de valencia cero (nFe0). Sin embargo, en aplicación in situ estas pierden movilidad y reactividad debido a su aglomeración. Para contrarrestar lo anterior, en esta investigación se evalúa el efecto de dos recubrimientos inorgánicos sobre nFe0, su movilidad fue evaluada en condiciones similares a las que se presenta en sistemas de remediación de acuíferos. Se sinterizaron nanopartículas de Fe0 por vía húmeda en solución acuosa a partir de 1, 2 y 5 g Fe/L. Las partículas que fueron sintetizadas a partir de 2 g Fe/L se recubrieron con Ca(OH)2 y CaCO3 mediante precipitación química. Para comparar la movilidad con las partículas recubiertas se sintetizaron partículas en presencia de carboximetilcelulosa (CMC). Después de la precipitación unas fueron lavadas con etanol y agua, y otras sólo con etanol. La movilidad de las partículas sin recubrir y recubiertas se evaluaron por medio de pruebas en columna de filtración empacada con arena sílice, determinando parámetros como la eficiencia de adhesión y la distancia en columna de acuerdo con la teoría de filtración coloidal. Los materiales generados fueron caracterizados mediante potencial zeta, difracción de Rayos X y microscopía electrónica de barrido. Además, para observar si se mantenía la reactividad después de la formación del recubrimiento se realizaron pruebas de reducción de Cr(Vl) como contaminante modelo. Las muestras recubiertas de CMC mostraron menor tamaño de partículas (<60 nm), mientras que las recubiertas tenían un diámetro promedio entre 70 y 80 nm. Las partículas de nFe0 generan una capa de óxido, principalmente magnetita (Fe3O4). En los recubrimientos inorgánicos, las fases portlandita y la calcita fueron detectadas en los recubrimientos de Ca(OH)2 y CaCO3, respectivamente. Mediante las observaciones de microscopia electrónica se corroboró la formación del recubrimiento. En las pruebas en columna de filtración fue posible identificar el efecto del recubrimiento en la movilidad de las nanopartículas. El coeficiente de adhesión más alto fue para las nanopartículas no recubiertas (6.06) seguido por las muestras recubiertas con Ca(OH)2 (3.86). El recubrimiento que permite una mayor movilidad es el CaCO3 (3.48). Cabe mencionar que las partículas recubiertas con Ca(OH)2 se oxidaron rápidamente en las pruebas en columna, posiblemente debido a su mayor solubilidad, en comparación con el CaCO3. En el caso de la reactividad, la nanopartículas recubierta con CaCO3 y sin recubrir redujeron el 50% y 80% el Cr(Vl), respectivamente. De acuerdo con estos resultados, la calcita al ser menos soluble mejora la movilidad de las nanopartículas en comparación con partícula sin recubrir."

"Aquifers are the principal source of water in arid and semi-arid lands, their availability is limited when these are contaminated by anthropogenic activities. As remediation technique, zero-valent iron nanoparticles (nFe0 ), are used. However, the application in situ, has shown that nanoparticles can lose mobility and reactivity due to its agglomeration. As an alternative to avoid this problem, nFe0 mobility with two inorganic coatings was tested under similar conditions to those present in aquifer remediation systems. The zero-valent iron nanoparticles were obtained by wet synthesis method in aqueous solution using concentrations of 1, 2 and 5 g Fe/L. Particles synthesized with 2 g Fe/L were coated with Ca(OH)2 and CaCO3 by chemical precipitation. To compare the coating, particles was synthesized with carboxymethyl cellulose (CMC). After precipitation, some samples were washed with ethanol and water, and others only with ethanol. The mobility of uncoated and coated particles was evaluated with tests on filtration columns packed with silica sand. Parameters as adhesion efficiency and column distance were determined by colloidal filtration theory. For the characterization of the obtained materials, zeta potential, X-ray diffraction and scanning electron microscopy, were determined. In addition, Cr(Vl) reduction tests were performed to determinate if reactivity was maintained after coating. The CMC coated samples showed smaller particle size (<60 nm), while the coated particles were between 70 and 80 nm. It was observed that nFe0 particles generate an oxide layer, mainly composed of magnetite (Fe3O4). In inorganic coatings, portlandite and calcite phases were detected in Ca(OH)2 and CaCO3, respectively, and was confirmed by electron microscopy. With a column filtration test, was possible to identify the effect of coating on nanoparticles mobility. Highest adhesion coefficient was observed in uncoated nanoparticles (6.06), followed by coated samples with Ca(OH)2 (3.86), but the greater mobility was obtained with CaCO3 (3.48). The particles with Ca(OH)2 were rapidly oxidized in column tests, possibly due to their greater solubility, compared to CaCO3. Nanoparticles coated with CaCO3 and uncoated reduced 50% and 80% of Cr (Vl), respectively. These results suggest that calcite being less soluble enhance the mobility of nanoparticles compared to the uncoated particle."