Síntesis, caracterización y evaluación de la reactividad de nanopartículas de hierro cerovalente u óxidos de hierro nanoparticulados para el tratamiento de uranio hexavalente en agua
2016
| Tesista | Julieta CRESPI Ingeniera Química Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Rosario - Argentina Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dra. Marta Irene LITTER. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina Dra. Ing. Natalia QUICI. CNEA, UTN – FRBA CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | División Remediación de Contaminantes - Departamento Química Ambiental - Gerencia Química - Gerencia de Área Seguridad Nuclear y Ambiente - CAC - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 26/02/2016 |
| Jurado | Dr. Martín Gonzalo BELLINO. CNEA, CONICET - Argentina Dra. Adriana MÁRQUEZ. UBA, CONICET - Argentina Dr. Alejandro WOLOSIUK. CNEA, CONICET - Argentina |
| Código | Código IT IS/T 164/16 |
Resumen
En esta Tesis se estudió la síntesis, caracterización y empleo de nanopartículas de hierro para la remoción de uranio en sistemas acuosos.
En primer lugar, se realizó la síntesis de nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI) en el laboratorio, siguiendo un procedimiento ampliamente conocido en la literatura, por la reducción de una sal de Fe(III) mediante borohidruro de sodio en atmósfera anóxica. Se probaron dos dispositivos experimentales diferentes, el primero formado por tres módulos acoplados, cuyo reactor principal consistía en un balón con tapón de goma por el que se insertan los reactivos, agitado de manera orbital, y el segundo formado por un único módulo, un reactor encamisado con tapa de PTFE y agitación mecánica, que permitió simplificar el diseño. Posteriormente, se realizó la caracterización completa de las nanopartículas, para conocer sus propiedades estructurales y composicionales, mediante microscopía de transmisión electrónica (TEM), difracción de rayos X (DRX), porosimetría, espectroscopías Raman, XANES y Mössbauer. Adicionalmente, se caracterizaron nanopartículas comerciales utilizadas para los experimentos de remoción, por las mismas técnicas citadas.
La remoción de U(VI) en solución acuosa por medio de nZVI y nanomagnetita (nM) comerciales se realizó en experimentos en batch con igual concentración inicial de U(VI) y en un rango de concentraciones iniciales de nanopartículas (relación molar (RM) Fe:U = 1 – 100 para nZVI y RM Fe:U = 4 para nM), en condiciones anóxicas. Se evaluaron dos niveles de anoxicidad distintos, oxígeno disuelto (OD) > 0,1 mg L-1 y OD < 0,1 mg L-1, alcanzándose por medio de la modificación del arreglo experimental. Se realizó el análisis de las especies en solución para evaluar la concordancia con los posibles mecanismos descritos en la literatura. Se realizaron también experimentos de remoción con nZVI bajo irradiación UV-Vis, y experimentos preliminares de remoción conjunta de U(VI) y Cr(VI) empleando nZVI.
En todos los casos, se analizó el sólido resultante de la remoción utilizando las técnicas de caracterización de sólidos citadas previamente, y se realizaron estudios preliminares por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS).
Palabras clave: U(VI), nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI), nanomagnetita (nM)
En primer lugar, se realizó la síntesis de nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI) en el laboratorio, siguiendo un procedimiento ampliamente conocido en la literatura, por la reducción de una sal de Fe(III) mediante borohidruro de sodio en atmósfera anóxica. Se probaron dos dispositivos experimentales diferentes, el primero formado por tres módulos acoplados, cuyo reactor principal consistía en un balón con tapón de goma por el que se insertan los reactivos, agitado de manera orbital, y el segundo formado por un único módulo, un reactor encamisado con tapa de PTFE y agitación mecánica, que permitió simplificar el diseño. Posteriormente, se realizó la caracterización completa de las nanopartículas, para conocer sus propiedades estructurales y composicionales, mediante microscopía de transmisión electrónica (TEM), difracción de rayos X (DRX), porosimetría, espectroscopías Raman, XANES y Mössbauer. Adicionalmente, se caracterizaron nanopartículas comerciales utilizadas para los experimentos de remoción, por las mismas técnicas citadas.
La remoción de U(VI) en solución acuosa por medio de nZVI y nanomagnetita (nM) comerciales se realizó en experimentos en batch con igual concentración inicial de U(VI) y en un rango de concentraciones iniciales de nanopartículas (relación molar (RM) Fe:U = 1 – 100 para nZVI y RM Fe:U = 4 para nM), en condiciones anóxicas. Se evaluaron dos niveles de anoxicidad distintos, oxígeno disuelto (OD) > 0,1 mg L-1 y OD < 0,1 mg L-1, alcanzándose por medio de la modificación del arreglo experimental. Se realizó el análisis de las especies en solución para evaluar la concordancia con los posibles mecanismos descritos en la literatura. Se realizaron también experimentos de remoción con nZVI bajo irradiación UV-Vis, y experimentos preliminares de remoción conjunta de U(VI) y Cr(VI) empleando nZVI.
En todos los casos, se analizó el sólido resultante de la remoción utilizando las técnicas de caracterización de sólidos citadas previamente, y se realizaron estudios preliminares por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS).
Palabras clave: U(VI), nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI), nanomagnetita (nM)
Complete Title
Synthesis, characterization and evaluation of the zero-valent iron and iron oxides nanoparticles reactivity for hexavalent uranium treatment in water
Abstract
In this Thesis, the synthesis, characterization and use of iron nanoparticles for U(VI) removal in aqueous systems was studied.
First, the synthesis of zerovalent iron nanoparticles (nZVI) was performed in the laboratory, following a widely known procedure, by reducing a Fe(III) salt using sodium borohydride in anoxic atmosphere. Two different experimental setups were tested. The first setup consisted in three coupled modules, with the main reactor being a round-bottom flask, and reagents being inserted through a rubber cap, stirred by an orbital shaker. The second setup consisted in one module, a jacketed reactor with a PTFE gas tight lid and mechanical stirring, which allowed simplifying the design. Subsequently, the complete characterization of nanoparticles was performed, in order to know their structural and compositional properties, by using transmission electronic microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), porosimetry, Raman, XANES and Mössbauer spectroscopies. Additionally, commercial nanoparticles used for removal experiments were characterized by the same techniques cited before.
U(VI) removal in aqueous solution by using commercial nZVI and nanomagnetite (nM) was performed in batch experiments, with the same U(VI) initial concentration and a range of nanoparticles initial concentration (molar ratio (MR) Fe:U = 1 – 100 for nZVI and MR Fe:U = 4 for nM), in anoxic conditions. Two different anoxicity levels were tested, dissolved oxygen (DO) > 0,1 mg L-1 and DO < 0,1 mg L-1, reached by modifying the setup arrangement. Analysis of species in solution was performed to evaluate the matching with possible mechanisms described in literature. Removal experiments employing nZVI under UV-Vis irradiation, and preliminary U(VI) and Cr(VI) joint removal experiments using nZVI have been also studied.
In all cases, the solid products obtained after the removal experiments were analyzed by the solid characterization techniques cited before, and preliminary X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses were made.
Keywords: U(VI), zero-valent iron nanoparticles (nZVI), nanomagnetite (nM)
First, the synthesis of zerovalent iron nanoparticles (nZVI) was performed in the laboratory, following a widely known procedure, by reducing a Fe(III) salt using sodium borohydride in anoxic atmosphere. Two different experimental setups were tested. The first setup consisted in three coupled modules, with the main reactor being a round-bottom flask, and reagents being inserted through a rubber cap, stirred by an orbital shaker. The second setup consisted in one module, a jacketed reactor with a PTFE gas tight lid and mechanical stirring, which allowed simplifying the design. Subsequently, the complete characterization of nanoparticles was performed, in order to know their structural and compositional properties, by using transmission electronic microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), porosimetry, Raman, XANES and Mössbauer spectroscopies. Additionally, commercial nanoparticles used for removal experiments were characterized by the same techniques cited before.
U(VI) removal in aqueous solution by using commercial nZVI and nanomagnetite (nM) was performed in batch experiments, with the same U(VI) initial concentration and a range of nanoparticles initial concentration (molar ratio (MR) Fe:U = 1 – 100 for nZVI and MR Fe:U = 4 for nM), in anoxic conditions. Two different anoxicity levels were tested, dissolved oxygen (DO) > 0,1 mg L-1 and DO < 0,1 mg L-1, reached by modifying the setup arrangement. Analysis of species in solution was performed to evaluate the matching with possible mechanisms described in literature. Removal experiments employing nZVI under UV-Vis irradiation, and preliminary U(VI) and Cr(VI) joint removal experiments using nZVI have been also studied.
In all cases, the solid products obtained after the removal experiments were analyzed by the solid characterization techniques cited before, and preliminary X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses were made.
Keywords: U(VI), zero-valent iron nanoparticles (nZVI), nanomagnetite (nM)
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