Eliminación de contaminantes utilizando arcillas naturales y sintéticas

RICARDO ROJAS; LAURA C. BORGNINO; CARLA E. GIACOMELLI

Residuos Urbanos e Industriales

Tecnológico de Antioquia

Lugar: Antioquia; Año: 2012; p. 149 - 174

Las arcillas naturales se forman en la corteza terrestre como consecuencia de la erosión de minerales de silicato y se encuentran ampliamente diseminadas en una gran diversidad de compartimentos ambientales que abarcan desde el fondo del océano hasta partículas atmosféricas en la estratosfera alta (Kibanova D. et al, 2009). Estos minerales están formados por láminas bidimensionales de aluminosilicatos cuyos tamaños son del orden de los m con espaciado interlaminar de unos pocos nanómetros. Por lo tanto, las partículas de arcillas son pequeñas (d < 2 m) y presentan una relación área/volumen tan alta que las propiedades de la superficie y de la interfaz con otros medios (sólidos, líquidos o gaseosos) controlan y rigen el comportamiento global del sistema (Anderson R.L. et al, 2010). De este modo, procesos superficiales como la adsorción-desorción de iones, átomos o moléculas tienen un rol preponderante en la acumulación, el transporte y la liberación de las distintas especies presentes en los sistemas naturales. Por otro lado, la estructura laminar de las arcillas hace de estos sólidos unos excelentes reservorios naturales de compuestos químicos en la región interlaminar. Estas dos características propias de las arcillas han sido explotadas para aplicaciones ambientales, particularmente para la eliminación de contaminantes por procesos de adsorción e intercambio. A pesar de la ubicuidad de las arcillas en la naturaleza, su aplicación para remediación ambiental tiene algunos inconvenientes, como la heterogeneidad propia de los sólidos naturales en cuanto a composición, presencia de impurezas, tamaño de partícula, etc., que limitan su uso. Por esta razón, se han sintetizado diversos sólidos laminares con estructura tipo arcilla que permiten una mayor versatilidad y control de propiedades que los sistemas naturales aunque, en algunos casos, a mayor costo (Zhou 2010; Di Zhang et al, 2010). Estos sólidos laminares pueden clasificarse en diferentes grupos teniendo en cuenta el exceso de carga de las láminas que se logra por sustitución isomórfica natural o sintética. Un grupo, está formado por partículas que tienen cargas negativas, tales como las arcillas catiónicas (naturales), cuyas estructuras poseen láminas de aluminosilicatos cargados negativamente separadas por una región interlaminar conteniendo agua y cationes (Avena M.J. et al, 2003). El otro grupo, representado por los hidróxidos dobles laminares (LDHs) o arcillas aniónicas, corresponde a compuestos con cargas positivas en las láminas y aniones en la interlámina. Generalmente, los iones interlaminares forman enlaces débiles con las láminas, lo que permite incorporar una gran variedad de iones por intercambio iónico cuando los sólidos se suspenden en soluciones acuosas. Dependiendo del tamaño, carga y distribución de estas especies interlaminares, se modifica drásticamente el espaciado basal, resultando en un esqueleto laminar cargado adecuado para incluir no sólo iones sino también moléculas apolares, dando lugar a una gran diversidad de materiales funcionales basados en arcillas. Ambos tipos de arcillas no sólo poseen un esqueleto cargado, representado por la sustitución isomórfica en las láminas, sino también sitios superficiales que pueden protonarse o deprotonarse para generar grupos de carga positiva o negativa, respectivamente (Sanders R.L. et al, 2010). De esta manera, estas partículas tienen dos tipos de cargas eléctricas: cargas estructurales permanentes, principales responsables de la capacidad de intercambio iónico, y cargas variables dependientes del pH, causadas por la adsorción-desorción de H+ en los grupos superficiales. Las arcillas naturales generalmente presentan carga neta negativa en un amplio intervalo de pH ya que la cantidad de grupos superficiales en los bordes es usualmente menor que la carga permanente. Por el contrario, la carga variable desarrollada en los sitios superficiales de los LDHs puede compensar en algunas condiciones a la carga estructural. Más aun, los sitios superficiales con cargas variables son tan reactivos frente a la adsorción de algunos aniones orgánicos, que es posible revertir la carga estructural positiva (Zhao et al, 2004; Pavan P.C. et al, 2000; Crepaldi E. L. et al, 1999). En consecuencia, tanto la región interlaminar como los sitios superficiales de las arcillas pueden considerarse como reservorios para almacenar una gran diversidad de iones o moléculas. En general, las arcillas naturales sin modificar se utilizan como matrices para la eliminación de cationes, mientras que las sintéticas para eliminar aniones. Sin embargo, ambas pueden ser fácilmente modificadas para incluir otro tipo de iones o moléculas más complejas (Cruz-Guzman M. et al, 2004). El objetivo del presente capítulo es presentar y discutir distintas herramientas experimentales aportadas desde la Fisicoquímica interfacial para optimizar y extender las aplicaciones de las arcillas naturales y sintéticas como matrices para la eliminación de contaminantes. Los aspectos metodológicos se refieren a la caracterización tanto estructural de los sólidos como superficial e interfacial de las partículas suspendidas en solución acuosa. Ambos aspectos son necesarios para: a) establecer la cinética de los procesos de intercambio y adsorción que darán lugar a la eliminación de los contaminantes y b) determinar las distintas interacciones entre el sólido y las especies incluidas, como una medida de la magnitud, estabilidad y eficiencia del proceso de remediación. Por lo tanto, el sistema se caracteriza en lo que se refiere a estructura, tamaño y distribución de partículas y desarrollo de cargas eléctricas, antes y después de la incorporación de los contaminantes. Asimismo, se estudian los procesos de intercambio iónico y adsorción de contaminantes en distintas condiciones compatibles con estrategias de remediación ambiental. En general, la caracterización estructural se realiza mediante análisis químico y térmico, difracción de rayos X, espectroscopia IR, microscopía electrónica y determinación de área superficial. El análisis químico permite determinar la fórmula molecular de las arcillas sintéticas, mientras que con la microscopia electrónica se establece el grado de homogeneidad de las partículas preparadas. Los patrones de difracción de rayos X y los espectros de IR de las arcillas permiten evaluar la estructura de las arcillas, establecer el espaciado interlaminar y determinar el tipo de interacciones entre el sólido y los iones y/o moléculas en la interlámina y en la superficie de las partículas. Por otro lado, el estudio interfacial se concreta mediante titulaciones potenciométricas ácido-base para determinar el desarrollo de cargas superficiales y de movilidades electroforéticas para evaluar el potencial zeta de las partículas suspendidas en solución acuosa. Con estas determinaciones, es posible evaluar la presencia de cargas permanentes y variables en las arcillas que determina en gran medida los procesos de adsorción en los sitios superficiales y de intercambio iónico desde la interlámina. El conocimiento en detalle de la reactividad superficial de las arcillas permite establecer las mejores condiciones para la inclusión de los distintos contaminantes y predecir la estabilidad y durabilidad del sistema como reservorio de contaminantes.