Macroalgas marinas, polímeros naturales y óxido de grafeno como materiales adsorbentes para la remoción de hidrocarburos solubles

Abstract

"Actualmente la liberación de hidrocarburos (HC) al medio acuático (> 6000 toneladas en 2016), es uno de los problemas emergentes de mayor impacto al ambiente. Una de las principales fuentes de emisión son los derrames de HC por actividades de la industria petroquímica. De acuerdo a estudios, los HC más solubles son los más tóxicos para organismos acuáticos. Las principales estrategias de respuesta contemplan el uso de tecnologías de adsorción. En años recientes, las investigaciones se han orientado a la búsqueda de materiales alternativos que permitan la remoción de contaminantes con capacidades de remoción similares a los adsorbentes comerciales. En este trabajo se evaluó la capacidad de biosorción de tres especies de macroalgas (pardas, verdes y rojas), a diferentes fuerzas iónicas. En los estudios de caracterización se detectó la presencia de los principales compuestos químicos presentes en la pared celular de los biomateriales. El incremento de la fuerza iónica a un valor hasta un valor de 0.5 M, no tiene un efecto detectable en la carga superficial de los biosorbentes, sin embargo la concentración de los grupos funcionales ácidos se mantuvo constante. La capacidad de adsorción de HC es mayor en biomasa del alga parda (M. pyrifera), donde el principal mecanismo se debe a la partición en la fase lipídica y compuestos de carbono no hidrolizable. La capacidad de adsorción de benceno por M. pyrifera disminuye a I > 0.45 M por la competencia de moléculas de agua por sitios activos en los biomateriales. Adicionalmente, mediante el uso de diseño de experimentos, se sintetizaron compositos a partir de la biomasa de M. pyrifera, quitosano (CS) y pectina. Los biomateriales fueron analizados en experimentos en lote y en continuo donde se demostró su factibilidad como biosorbentes para la remoción de los contaminantes de estudio. Por último, el óxido de grafeno (OG) es un alótropo de carbono con potencial aplicación en la remoción de contaminantes orgánicos en solución acuosa. Actualmente, su aplicación se ha visto limitada debido a su aglomeración y baja área específica (SBET). Ante esta problemática, la síntesis de sólidos laminares pilareados representa una alternativa al incrementar el área de adsorción y los sitios activos disponibles. El propósito principal de este estudio fue determinar el efecto de la co-precipitación de quitosano entre los espacios interlaminares del óxido de grafeno, y su afinidad por los principales hidrocarburos (HC) solubles en agua (benceno, tolueno y naftaleno). La proporción CS/OG = 0.1 empleando quitosano de bajo peso molecular, registró el mayor incremento del SBET (47 m2/g). Con el fin de elucidar los mecanismos de adsorción involucrados, se evaluó la afinidad por los HC de estudio a diferentes condiciones de pH, temperatura y presencia de materia orgánica".

"Nowadays the recovery of low-molecular aromatic hydrocarbons (HC) released into natural bodies of water continues to be a challenging task. These contaminants cause severe consequences to the environment and the human health. The oil spill cleanup strategies are primarily designed to deal with HC heavy fractions accumulated in the water surface. Unfortunately, insufficient information is available regarding the treatment of dissolved fractions. Biosorption on macroalgae (Ma) biomass seems to be a potential alternative to overcome disadvantages associated with expensive costs and complexity of activated carbon production. Three representative samples of brown, green and red macroalgae seaweeds (Macrocystis pyrifera, Ulva expansa and Acanthophora spicifera, respectively) were evaluated to remove benzene and toluene from water, which is the most soluble hydrocarbons. To accomplish this objective, the influence of temperature and ionic strength on biosorption rate were also determined. Raw biomasses were characterized by different physical and chemical techniques to assess their potential as biosorbents and the mechanisms involved. Despite these advantageous properties of seaweed biomass, the physical characteristics (small particle size, low strength, and density) of such biomaterials are not viable for continuous process operation and make biomass challenging to apply. Therefore, the development of innovative low-cost techniques of immobilized biosorbents with particular attention to increasing their effectiveness in the biosorption process is mandatory. The objective of this research was to explore the performance of different biosorbent aggregates through different proportions of brown seaweed-chitosan-pectin on biosorption capacity of the three main soluble hydrocarbons (benzene, toluene, and naphthalene) in water. The biocomposite synthesis was optimized by application of the factorial design and response surface methodology. Moreover, a detailed chemical and physical characterization analysis, by textural properties, potentiometric titrations, elemental content, chemical stability, KBr-FT-IR, and TGA analysis, were performed to explain the adsorption mechanisms. Also, an optimized Ma-Pe-Ch biocomposite was used for BTEX and naphthalene removal in a fixed-bed column under different experimental conditions. Finally, alternative methods to functionalized graphene oxide with a water-dispersible material are needed to create GO composites for adsorption applications. By introducing molecules or other carbon-based components between GO sheets (pillared agents), an increase in the surface area of the material could be observed. The synthesis of different CS-GO composites achieved an optimized surface area of 47 m2/g (ratio CS/GO = 0.1). Various characterization techniques verified the presence of chitosan molecules between the GO sheets, creating grooves and high energetic adsorption sites. The hydrophobic effect and π-π interactions of the GO structures also with the chitosan (-OH) functional groups determined the favorable adsorption capacity in comparison with the un-modified GO".