Desarrollo de biomateriales híbridos compuestos para remediación ambiental

Abstract

En el Capítulo 1 se examina la importancia de abordar la contaminación de las fuentes de agua subterránea, específicamente por arsénico y fluoruros, debido a su alta toxicidad y los riesgos que implican para la salud humana. Se destaca la necesidad de desarrollar materiales adsorbentes eficientes y económicos para afrontar este desafío, introduciendo el concepto de nanomateriales como una estrategia para mejorar la eficiencia de los adsorbentes. Se justifica y describe la generación de nanocompuestos a partir de nanopartículas de magnetita/maghemita e hidroxiapatita, soportadas sobre zeolita y biomasa, que son los materiales seleccionados para este trabajo. Se revisan brevemente las metodologías de síntesis, con especial énfasis en las técnicas de co-precipitación química y síntesis hidrotermal. Finalmente, se formula la hipótesis del trabajo, se establece el objetivo general y se definen los objetivos específicos de la investigación. En el Capítulo 2 se presentan los reactivos empleados y se abordan los lineamientos generales de las metodologías experimentales utilizadas en este trabajo de tesis. Además, se proporciona un detalle de las técnicas empleadas para caracterizar los materiales sintetizados, incluyendo tanto sus fundamentos teóricos como los equipos utilizados en este proceso. El Capítulo 3 se centra en la síntesis y caracterización de un nanocompuesto de hidroxiapatita biomasa (HAp-C) para su aplicación como adsorbente en la remediación de aguas subterráneas contaminadas con arsénico y fluoruros. Se examinan diversas variables, como la capacidad de adsorción del material, su comportamiento cinético y la influencia de diferentes factores. Finalmente, se evalúa la eficiencia de HAp-C para la adsorción simultánea de ambos contaminantes en muestras de agua subterránea. El Capítulo 4 aborda la síntesis y caracterización de un nanocompuesto magnético hidroxiapatita-biomasa (HAp-CM) con el objetivo de mejorar la capacidad de adsorción de arsénico y fluoruros en agua subterránea en comparación con el material HAp-C. Se realizan ensayos exhaustivos para evaluar la cinética y la capacidad de adsorción HAp-CM, así como su estabilidad y eficiencia en muestras de agua subterránea. El Capítulo 5 se enfoca en la síntesis y caracterización de nanocompuestos basados en zeolita óxidos de hierro (ZM), analizando su estructura y propiedades fisicoquímicas en comparación con las de sus precursores. El objetivo principal es investigar la capacidad de los nanocompuestos ZM para eliminar arsénico en agua subterránea. Se llevan a cabo experimentos para evaluar la cinética de adsorción de arsénico, su estabilidad, y su capacidad de reutilización, así como un estudio de flujo para evaluar la eficiencia de adsorción utilizando ZM empaquetado en un sistema continuo. El Capítulo 6 se centra en la síntesis y caracterización de los nanocompuestos ZM modificados superficialmente con aluminio y calcio (ZM-AC) para la adsorción de fluoruros en agua. El objetivo principal fue desarrollar materiales con alta eficiencia en la remoción de fluoruros. Se realiza un análisis exhaustivo de la composición, estructura y propiedades de los nanocompuestos, así como de su cinética de adsorción, estabilidad y reutilización en soluciones modelo y en muestras de agua subterránea. Finalmente, en el Capítulo 7 se presentan las conclusiones generales obtenidas de los resultados analizados en cada capítulo y se definen, además, los lineamientos para futuros trabajos.

Chapter 1 examines the importance of addressing groundwater contamination, specifically by arsenic and fluorides due to their high toxicity. The need to develop efficient and cost-effective adsorbent materials to tackle this challenge is highlighted, introducing the concept of nanomaterials as a strategy to improve the efficiency of adsorbents. The generation of nanocomposites from magnetite/maghemite and hydroxyapatite nanoparticles, supported on zeolite and biomass, which are the selected materials for this work, is justified and described. Synthesis methodologies are briefly reviewed, with a special emphasis on chemical co precipitation and hydrothermal synthesis techniques. Finally, the hypothesis of the work is formulated, the general objective is established, and the specific objectives of the research are defined. Chapter 2 presents the reagents used and addresses the general guidelines of the experimental methodologies employed in this thesis. Additionally, details are provided on the techniques used to characterize the synthesized materials, including both their theoretical fundaments and the equipment used in this process. Chapter 3 focuses on the synthesis and characterization of a hydroxyapatite-biomass (HAp-C) nanocomposite for its application as adsorbent in the remediation of groundwater contaminated with arsenic and fluorides. Various variables are examined, such as the adsorption capacity of the material, its kinetic behavior, and the influence of different factors. Finally, the efficiency of HAp C for the simultaneous adsorption of both contaminants in groundwater samples is evaluated. Chapter 4 addresses the synthesis and characterization of a magnetic hydroxyapatite-biomass (HAp-CM) nanocomposite with the aim of improving the adsorption capacity of arsenic and fluorides in groundwater compared to the HAp-C material. Extensive tests are conducted to evaluate the kinetics and adsorption capacity of HAp-CM, as well as its stability and efficiency in groundwater samples. Chapter 5 focuses on the synthesis and characterization of zeolite-iron oxides (ZM) based nanocomposites, analyzing their structure and physicochemical properties compared to their precursors. The main objective is to investigate the capacity of ZM nanocomposites to remove arsenic from groundwater. Experiments are conducted to evaluate the arsenic adsorption kinetics, stability, and reusability, as well as a flow study to assess the adsorption efficiency using ZM packed in a continuous system. Chapter 6 centers on the synthesis and characterization of ZM nanocomposites modified with aluminum and calcium (ZM-AC) for the adsorption of fluorides in water. The main objective was to develop materials with high efficiency in fluoride removal. An exhaustive analysis of the composition, structure, and properties of the nanocomposites is carried out, as well as their adsorption kinetics, stability, and reusability in model solutions and groundwater samples. Finally, Chapter 7 presents the general conclusions obtained from the results analyzed in each chapter and defines guidelines for future work.