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Tesis

Nanopartículas basadas en hierro cerovalente y óxidos de hierro para la remoción de U(VI) en agua

2019



TesistaIgnacio Daniel RYCHLUK
Ingeniero Químico - Universidad Nacional Misiones - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectorDr. Víctor Nahuel MONTESINOS.   CNEA, UBA, CONICET - Argentina
Codirectora
Dra. Natalia QUICI.   CNEA, UTN – FRBA, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónDivisión Química de la Remediación Ambiental - Departamento Química Ambiental - Gerencia Química - Gerencia de Área Seguridad Nuclear y Ambiente - CAC - CNEA - Argentina
Fecha Defensa02/05/2019
JuradoDra. María Soledad ÁLVAREZ CERIMEDO.   UNMdP, CONICET - Argentina
Dr. Julián GELMAN CONSTANTIN.   CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Dra. María Verónica LOMBARDO.  CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
CódigoITS/TM 201/19

Título completo

Nanopartículas basadas en hierro cerovalente y óxidos de hierro para la remoción de U(VI) en agua

Resumen

La remoción de U(VI) presente en agua como consecuencia de la actividad nuclear es de relevancia ambiental. Las nanopartículas (NPs) de hierro cerovalente (FeNPs) y maghemita (nMgh) son agentes de remoción de contaminantes extensamente empleados, pero su separación del medio de reacción encarece el proceso. La inmovilización de NPs se presenta como una alternativa para mejorar el proceso de remoción.

En esta Tesis se estudió la síntesis, caracterización y uso de nanocompuestos (NCs) basados en FeNPs y nMgh inmovilizadas en quitosano (QS) y estabilizadas en carboximetilcelulosa (CMC) para la remoción de U(VI) en agua.

Los NCs se sintetizaron por coagulación de QS acetilado en solución de NaOH incorporando las NPs durante la acetilación del QS. Se estudiaron la proporción de FeNPs óptima en los NCs (10%-40% m/m) y el efecto del agregado de CMC en la dispersión y estabilidad de las NPs (NPs-CMC@QS). Los NCs fueron caracterizados estructuralmente por SEM-EDS, FTIR y DRX y su reactividad se evaluó mediante la remoción de Cr(VI). En todos los casos se obtuvieron esferas milimétricas con aglomerados micrométricos de NPs aleatoriamente distribuidos, según pudo observarse por SEM-EDS. Por DRX se determinó la fase α-Fe como dominante en los NCs con FeNPs, sólo en presencia de CMC. En ausencia de CMC, las FeNPs mostraron mayor presencia de óxidos de Fe. La fase maghemita fue satisfactoriamente identificada en los NCs con nMgh. Por FTIR, se identificó un fuerte anclaje superficial de QS y CMC sobre FeNPs y nMgh por corrimiento de las bandas correspondientes a grupos nitrogenados y oxigenados.

Durante los experimentos de remoción, el U(VI) fue cuantificado espectrofotométricamente empleando el complejo U(VI)-PAR. Se observó una caída de la absorbancia del complejo con el aumento del pH y que la presencia de QS disuelto no afecta en la determinación. La máxima capacidad de remoción de U(VI) se obtuvo a los 60 minutos de reacción para todos los materiales desarrollados.

Se pudo determinar que la inmovilización reduce la capacidad de remoción de U(VI) de las NPs debido al anclaje superficial de los polímeros sobre sus sitios activos, pero a su vez impide eficientemente el desprendimiento de las mismas al cabo de la remoción. A su vez, se observó que el O2 disuelto, contrariamente a lo esperado, tiene efecto beneficioso en la remoción de U(VI) con NCs. Esto reviste una ventaja para el uso de esta tecnología, aunque se requieren de estudios complementarios que permitan determinar con mayor precisión el mecanismo principal de remoción.

Palabras clave: U(VI), nanopartículas de hierro cerovalente (FeNPs), nanomaghemita (nMgh), quitosano (QS).

Complete Title

Nanoparticles based on zero-valent iron and iron oxides for the removal of U(VI) in water

Abstract

The removal of U (VI) present in water as a consequence of nuclear activity is of environmental relevance. Nanoparticles (NPs) of zero-valent iron (nZVI) and maghemite (nMgh) are widely used contaminant removal agents, but their separation from the reaction medium increases the global cost of the process. The immobilization of NPs is presented as an alternative way to improve the removal process.

In this Thesis the synthesis, characterization and use of nanocomposites (NCs) based on FeNPs and nMgh immobilized in chitosan (QS) and stabilized in carboxymethylcellulose (CMC) for the removal of U (VI) in water were studied.

The NCs were synthesized by coagulation of acetylated QS in NaOH solution incorporating the NPs during acetylation of the QS. The optimal proportion of nZVI in the NCs (10% -40% m / m) and the effect of the addition of CMC on the dispersion and stability of the NPs (NPs-CMC@QS) were studied. The NCs were structurally characterized by SEM-EDS, FTIR and DRX and their reactivity was evaluated by the removal of Cr(VI). In all cases, millimetric spheres with micrometric agglomerates of randomly distributed NPs were obtained, as observed by SEM-EDS. The α-Fe phase was determined by DRX as dominant in the NCs with FeNPs, only in the presence of CMC. In the absence of CMC, the nZVI showed greater presence of Fe oxides. The maghemite phase was satisfactorily identified in the NCs with nMgh. By FTIR, a strong surface anchoring of QS and CMC was identified on nZVI and nMgh due to the shift of the bands corresponding to nitrogen and oxygenated groups.

During the removal experiments, the U(VI) was spectrophotometrically quantified using the U(VI) -PAR complex. A drop in the absorbance of the complex was observed with the increase in pH. The the presence of dissolved QS was proven to do not affect the determination of U(VI). The maximum removal capacity of U(VI) was obtained after 60 minutes of reaction for all materials developed.

It could be determined that the immobilization reduces the removal capacity of U (VI) of the NPs due to the surface anchoring of the polymers on their active sites, but it efficiently prevents their detachment after the removal. In turn, it was observed that dissolved O2, contrary to what is expected, has a beneficial effect on the removal of U(VI) with the NCs. This is an advantage for the use of this technology, although complementary studies are required to determine with greater precision the main removal mechanism.

Keywords: U(VI), zerovalent iron nanoparticles, nanomaghemite, chitosan.


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