Síntesis de nanomateriales híbridos y polifuncionales para remediación ambiental

Abstract

Esta tesis aborda la problemática global de la contaminación de aguas residuales, con especial énfasis en la situación de la ciudad de Bahía Blanca, Argentina. Se analiza la magnitud del problema y los procesos convencionales de tratamiento de efluentes, destacando las limitaciones de los materiales actualmente empleados para la remoción de contaminantes. En este contexto, la nanotecnología se presenta como una herramienta innovadora para el desarrollo de nanocompuestos (NCs) con capacidad de eliminar sustancias contaminantes presentes en estos tipos de aguas, a través de mecanismos de fotodegradación y adsorción. Entre las alternativas más prometedoras se encuentran los NCs basados en óxidos de zinc (ZnO) y óxidos de hierro (Fe₃O₄/γ- Fe₂O₃), materiales con propiedades multifuncionales que integran fotodegradación, adsorción, separación magnética y acción antimicrobiana. Se describen los fundamentos de la síntesis de nanopartículas (NPs) y NCs, abarcando tanto los métodos químicos, como la coprecipitación y el proceso hidrotermal; como la síntesis verde. La aplicación de recursos naturales locales del estuario de Bahía Blanca permite obtener NPs con alta pureza y morfología controlada, minimizando el impacto ambiental y reduciendo el uso de reactivos tóxicos. Para la caracterización de las NPs y NCs sintetizados se emplean técnicas físico- químicas que permiten determinar sus propiedades estructurales, morfológicas, ópticas, magnéticas y superficiales. Asimismo, se incluyen ensayos experimentales de fotodegradación del azul de metileno, seleccionado como modelo de contaminante orgánico, y adsorción de amonio, seleccionado como modelo de nutriente. Dichos ensayos se realizaron tanto en agua destilada como en agua residual simulada, junto con estudios computacionales mediante DFT para conocer las interacciones entre los iones amonio y las NPs de ZnO. También se evalúa la actividad antimicrobiana de las NPs y NCs. Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia de los métodos de síntesis empleados, en particular la síntesis verde para obtener NPs, que presenta ventajas en términos de simplicidad, bajo costo y compatibilidad ambiental. Asimismo, la caracterización de los NCs a base de óxidos de hierro y zinc revela una adecuada cristalinidad, composición homogénea, estabilidad y alta respuesta magnética, lo que facilita su recuperación posterior a su posible aplicación en el tratamiento de aguas. Las evaluaciones de desempeño confirman la eficacia de los NCs para la degradación de contaminantes orgánicos, la adsorción de contaminantes inorgánicos y la inhibición del crecimiento bacteriano de Escherichia coli y Bacillus thuringiensis. Los ensayos en sistemas de agua residual simulada evidencian la capacidad de los NCs para mantener su funcionalidad en ciclos de reúso, posicionándolos como una alternativa viable, sostenible y de alto rendimiento para formar parte de alguna de las etapas del tratamiento avanzado de aguas residuales urbanas.

This thesis addresses the global issue of wastewater pollution, with particular emphasis on the situation of Bahía Blanca, Argentina. It analyzes the magnitude of the problem and the conventional effluent treatment processes, highlighting the limitations of the materials currently employed for contaminant removal. In this context, nanotechnology emerges as an innovative tool for the development of nanocomposites (NCs) capables of removing pollutants present in these kind of waters through photodegradation and adsorption mechanisms. Among the most promising alternatives are NCs based on zinc oxides (ZnO) and iron oxides (Fe₃O₄/γ-Fe₂O₃), materials with multifunctional properties that integrate photodegradation, adsorption, magnetic separation, and antimicrobial activity. The fundamentals of nanoparticles (NPs) and NCs synthesis are described, covering both chemical methods, such as coprecipitation and hydrothermal processes, and green synthesis. The use of local biological resources from the Bahía Blanca estuary enables the production of NPs with high purity and controlled morphology, while it minimizes environmental impact and reduces the use of toxic reagents. The characterization of synthesized NPs and NCs involves physicochemical techniques that allow determination of their structural, morphological, optical, magnetic, and surface properties. In addition, experimental assays were conducted for photodegradation of methylene blue, selected as a model organic pollutant, and ammonium adsorption, selected as a model nutrient. These tests were carried out both in distilled water and in simulated wastewater, along with computational studies using Density Functional Theory (DFT) to investigate the interactions between ammonium ions and ZnO NPs. The antimicrobial activity of the NPs and NCs was also evaluated. These results demonstrate the efficiency of the employed synthesis methods, particularly green synthesis for NPs production, which offers advantages in terms of simplicity, low cost, and environmental compatibility. Furthermore, characterization of iron and zinc based NCs reveals suitable crystallinity, homogeneous composition, stability, and strong magnetic response, which facilitates their recovery after potential application in water remediation. Performance evaluations confirm the effectiveness of these NCs for degradation of organic pollutants, adsorption of inorganic contaminants, and inhibition of bacterial growth of Escherichia coli and Bacillus thuringiensis. The tests conducted in simulated wastewater systems demonstrate the ability of the NCs to maintain their functionality over reuse cycles, positioning them as a viable, sustainable, and high-performance alternative to be incorporated into advanced stages of urban wastewater treatment.