Síntesis de un copolímero biodegradable para la remoción de iones de Pb2+, Cd2+ y Zn2+ en soluciones acuosas

Abstract

RESUMEN “Síntesis de un copolímero biodegradable para la remoción de iones de Pb2+, Cd2+ y Zn2+ en soluciones acuosas” Por: M. en C. José Alonso Dena Aguilar La presencia de metales pesados en cuerpos de agua que es ocasionada principalmente por la descarga de efluentes industriales, representa un problema económico, ambiental y de salud pública relevante. Ante esta problemática, diversas tecnologías se han desarrollado para remover metales prioritarios de efluentes contaminados y, en particular, la adsorción es un proceso que ha demostrado una atractiva viabilidad para remover diversos contaminantes del agua, incluyendo metales pesados. Este tipo de procesos ofrece diversas ventajas siendo las principales sus bajos costos de operación y fácil implementación. No obstante, este proceso de tratamiento es dependiente de las condiciones de operación y del material (natural o sintético) empleado como adsorbente. Dentro de este contexto el empleo de polímeros biodegradables como adsorbentes para la remoción de contaminantes del agua ha tomado mayor importancia durante los últimos años ya que éstos ofrecen una alternativa viable para la disposición final del adsorbente debido a que pueden ser sometidos a procesos de biodegradación empleando microorganismos. En este trabajo se desarrollaron dos metodologías de polimerización injertada para sintetizar copolímeros biodegradables para su aplicación como adsorbentes en el tratamiento de soluciones contaminadas con metales pesados además de estudiar sus propiedades de biodegradación empleando hongos ligninolíticos y endofíticos. También, se estableció un mecanismo de modificación química superficial en base a reacciones de aminación para aumentar las capacidades de adsorción de los copolímeros obtenidos. Los copolímeros fueron obtenidos mediante un procedimiento tradicional de polimerización por radicales libres en solución bajo una atmosfera oxidante normal (en presencia de aire) y empleando polímeros sintéticos y naturales (aditivos) para beneficiar sus velocidades de biodegradación. Para la síntesis de los copolímeros, se emplearon dos protocolos experimentales: en el primer protocolo se emplearon reactivos de poli(acrilonitrilo), acetato de vinilo y almidón y se empleo un sistema redox de iniciación de radicales libres a base de persulfato de amonio y bisulfito de sodio; mientras que en el segundo protocolo se usaron reactivos de poli(acrilonitrilo) y quitosano, y en este caso se uso nitrato de amonio cérico como sistema de iniciación de radicales libres. Todos los copolímeros sintetizados fueron caracterizados mediante técnicas por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR), microscopia electrónica de barrido (SEM), microscopia electrónica de transmisión (TEM), análisis termogravimétrico (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC), espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X (EDX), espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y gravimetría (por variación de los pesos de los productos resultantes). Es conveniente indicar que la principal meta de este estudio fue obtener un copolímero biodegradable, realizar su caracterización y estudiar tanto su comportamiento como adsorbente (en presencia de iones metálicos simples y binarios) como sus propiedades de biodegradabilidad. Considerando esta premisa, el primer protocolo experimental permite obtener copolímeros injertados de poli(acrilonitrilo) con almidón (PAN-g-ALM). Sin embargo, estos copolímeros al emplearlos en forma de película, bajo las condiciones de operación óptimas y sin modificación química, presentaron capacidades máximas de adsorción de iones de Pb2+ de 1.74 mg g-1 y un comportamiento de biodegradación no cuantificable. En el caso del segundo protocolo experimental se lograron obtener copolímeros injertados de poli(acrilonitrilo) con quitosano (PAN-g-QT) y al aplicarlos en forma de partícula, bajo las condiciones de operación óptimas y con modificación química superficial (APANQT), presentaron capacidades máximas de adsorción de iones simples de Pb2+, Cd2+ y Zn2+ de 12.93, 2.27 y 2.10 mg g-1 respectivamente. La selectividad de los iones metálicos simples sobre los APANQT fue de Pb2+>>>Zn2+>Cd2+. Por otra parte, los copolímeros de APANQT presentaron capacidades máximas de adsorción en mezclas binarias de iones divalentes de Cd2+/Pb2+, Zn2+/Pb2+ y Cd2+/Zn2+ de 0.83/15.65, 1.56/17.34 y 0.92/3.21 mg g-1 donde la presencia simultánea de los iones metálicos en la solución beneficia el comportamiento de remoción de los APANQT siendo el orden de selectividad en soluciones binarias de Pb2+>>>Zn2+>>Cd2+. Los datos experimentales de adsorción fueron correlacionados empleando modelos de adsorción mono y de multicomponentes a través de redes neuronales artificiales. El orden de ajuste de los datos experimentales de adsorción simples empleando los modelos de isotermas seleccionadas fue: SIPS> Freundlich>Redlich-Peterson. Finalmente, los experimentos de biodegradación de los PAN-g-QT y APANQT se llevaron a cabo con pruebas gravimétricas determinándose que existe una pérdida de peso del 10.5 y 4.9%, respectivamente, a 45 días de incubación empleando hongos endofíticos de Trichoderma atroviride.