Activación y caracterización de materiales nanoestructurados (CNx y CST): remoción de cadmio.

Abstract

"En esta investigación se modificaron nanotubos de carbono tipo bambú (CNx), y nanofibras cónicas de carbono (CST) con ácido nítrico a 85° C, de una a tres horas, así como con aire a alta temperatura (~400°C) en un analizador termogravimétrico. Las nanoestructuras de carbono se caracterizaron antes y después de su oxidación a través de SEM, EDX, FTIR, área específica (BET), análisis termogravimétrico (TGA) y titulación ácido-base. Además, se llevaron a cabo experimentos de adsorción de cadmio sobre las nanoestructuras en reactores en lote. También se investigaron los efectos de pH, T, y NOM en la capacidad de adsorción de cadmio. El efecto de la materia orgánica se determinó utilizando agua clarificada con una concentración de TOC de aproximadamente 13 ppm. Los resultados arrojados por EDX y FTIR mostraron un incremento apreciable en el contenido de oxígeno de los CNx y las CST modificados durante tres horas con HNO3, lo cual se reflejó en un aumento de 1.92 y 1.35 mmol/g, respectivamente, de sitios ácidos totales y en un cambio en el punto de carga cero (PCC) de 2.5 unidades hacia valores ácidos de pH. Por otra parte, se encontró que las nanoestructuras modificadas en aire a alta temperatura (~400°C) también incrementaron su densidad de sitios ácidos totales pero en menor cantidad comparado con la oxidación ácida. Además, el área específica de las nanoestructuras, en general, disminuyó de 79.9 a 73.6 m2/g para los CNx y de 33.3 a 26.8 m2/g para las CST conforme el tiempo de oxidación aumentó. Los experimentos de adsorción en lote reportaron que la capacidad de adsorción de cadmio de la nanoestructuras modificadas es significativamente afectada por el pH de la solución. Se encontró que la remoción de Cd de los CNx Ox 3 h y CST Ox 3 h aumenta 4 y 2 veces al incrementar el pH de 5 a 7, respectivamente. Por otra parte, se observó que al aumentar la temperatura de 25 a 35°C disminuyó la capacidad de remoción de Cd de 32.4 y 15.9 mg/g para los CNx Ox 3 h y de 21.8 y 14.9 mg/g para las CST Ox 3 h, respectivamente. La capacidad de adsorción de Cd se redujo aproximadamente un 60% en presencia de NOM mediante los CNx Ox 3 h. Además, la capacidad de adsorción de las nanoestructuras modificadas con aire es significativamente menor (60 y 40% para los CNx y CST, respectivamente) comparada con la de las nanoestructuras modificadas con HNO3. También se encontró que la capacidad de adsorción de cadmio de los CNx y CST oxidados por 3 h con HNO3 es 4.2 y 2.9 veces mayor a la del carbón activado comercial F-400; 3.2 y 2.2 veces mayor a la del quitosano; 4 y 2.7 veces mayor a la de la clinoptililita, respectivamente, a una concentración en el equilibrio de 70 mg/L, pH 7 y 25°C. Estos resultados indican que es posible introducir grupos oxigenados en la superficie de las nanoestructuras de carbono mediante la modificación con HNO3 o con aire, lo cual permite que estos materiales tengan una aplicación potencial en la remoción de contaminantes, por ejemplo metales pesados, presentes en fase acuosa."

"In this research bamboo-type carbon nanotubes and cup-stacked-type carbon nanofibers were modified by nitric acid at 85°C from one to three hours and by air at high temperature (~400°C) in a termogravimetric analyzer. The carbon nanostructures were characterized before and after oxidation by SEM, EDX, FTIR, surface area (BET), termogravimetric analysis and acid/base titration. Plus cadmium adsorption experiments were carried out in batch reactors by using carbon nanostructures as adsorbent. Also the pH, temperature and natural organic matter (NOM) effect on the cadmium adsorption capacity was investigated. The NOM effect was determined by utilizing a clarified water with a TOC concentration of approximately 13 ppm. The results of EDX and FTIR showed an increase in oxygen content on the three hours acid modified carbon nanostructures CNx and CST, which was reflected in an increase of 1.92 and 1.35 mmol/g of total acid sites, respectively, and in a change of the point of cero charge (PCC) of 2.5 units to more acidic values of pH. On the other hand, it was found that the air modified carbon nanostructures increased their total acid sites concentration, but in less grade compared to the modified material by HNO3. In addition, the surface area of the carbon nanostructures, in general, decreased from 79.9 to 73.6 m2/g for CNx and from 33.3 to 26.8 m2/g for CST as the oxidation time rise. Batch sorption experiments reported that the adsorption capacity of the tailored carbon nanostructures was significantly affected by the solution pH: It was found that the cadmium uptake of the CNx Ox 3 h and CST Ox 3 h increased 4 and 2 times as the pH rise from 5 to 7, respectively. Also, the presence of NOM decreased the metal uptake of CNx Ox 3 h in 60%. It was also found that the adsorption capacity of the carbon nanostructures modified by air was lower compared with that showed by the oxidized material by HNO3 (60 and 40% for the CNx and CST, respectively). On the other hand, the adsorption capacity of the three hours acid modified carbon nanostructures CNx and CST was 4.2 and 2.9 times higher than the commercial activated carbon F-400, 3.2 and 2.2 times higher than the quitosan and 4 and 2.7 times higher than clinoptilolite, accordingly, at an equilibrium concentration of 70 mg/L, pH 7 and 25°C. These findings indicated that it is possible to introduce oxygen-containing functional groups by HNO3 or air on the carbon nanostructures studied herein, which allow them to have a potential application in the removal of contaminants (cations) presents aqueous phase."