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. - Crespi, Julieta (2015)
En esta Tesis se estudió la síntesis, caracterización y empleo de nanopartículas de hierro para la remoción de uranio en sistemas acuosos. El tratamiento de U(VI) en solución acuosa y su transformación en productos menos tóxicos o más fácilmente removibles de la solución es un aspecto relevante para los estudios relacionados con la actividad nuclear. Particularmente, la remoción de U(VI) empleando nanomateriales de hierro es un tema relevante con amplios antecedentes en la literatura, pero que aún necesita estudios con mayor detalle para su optimización. Es fundamental, además, la caracterización de nanomateriales de hierro comerciales y sintetizados en el laboratorio, con el objetivo de comprender los procesos involucrados en las reacciones de remoción, así como la comparación de la eficiencia de los diferentes nanomateriales, principalmente con miras a una potencial aplicación a la remediación de aguas reales. 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. Este segundo método se encuentra aún en desarrollo, y se buscará continuar con la optimización del proceso. 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 las nanopartículas comerciales utilizadas para los experimentos de remoción, por las mismas técnicas. Se planea continuar con la caracterización tanto de los materiales sintetizados como de los comerciales, a fin de dilucidar la composición exacta de las nanopartículas y comprender los mecanismos de remoción. 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. Si bien los resultados obtenidos son muy buenos, se espera en trabajos futuros poder optimizar la remoción para alcanzar los niveles permitidos de U(VI) y Fe en agua de acuerdo a la normativa para diversas aplicaciones. También quedan pendientes los experimentos de remoción empleando las nZVI sintetizadas en el laboratorio. Se realizaron adicionalmente experimentos de remoción con nZVI bajo irradiación UV-Vis, y experimentos preliminares de remoción conjunta de U(VI) y Cr(VI) empleando nZVI, estos últimos con resultados alentadores que plantean una línea de investigación potencial para continuar mejorando los sistemas de remoción de U(VI). 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). Es necesario realizar estudios complementarios de caracterización para determinar con mayor precisión la composición de las nanopartículas luego de los experimentos, principalmente con relación al estado de oxidación del uranio presente.