Síntesis y caracterización de bio-adsorbentes para la remoción de iones metálicos y contaminantes emergentes

Abstract

La presente investigación aborda el diseño, síntesis, caracterización y optimización de bioadsorbentes a base de quitosano (CS) y alginato de sodio (SA) para la remoción de metales pesados, como cobre (Cu2+) y plomo (Pb2+), junto a contaminantes emergentes, como el azul de metileno (AM), presentes en aguas residuales. Los biocompuestos se desarrollaron en proporción 1:1 (peso/peso), incorporando carbonato de calcio (CaCO3) in situ, a fin de potenciar la porosidad y generar nuevos centros activos. Se evaluaron distintas condiciones de síntesis, incluyendo métodos de secado (convencional, vacío, liofilización y combinados), medios de gelificación y compatibilización de precursores. Asimismo, se utilizaron agentes reticulantes, como tripolifosfato de sodio (reticulación iónica) y glutaraldehído (reticulación química), para mejorar la estabilidad estructural en ambientes ácidos. Paralelamente, se exploró el uso de fibras de celulosa derivatizada para adsorción de Cu2+ y AM. Se analizaron variables operativas como pH, tiempo de contacto, tamaño de partícula, temperatura y dosis de sorbente sobre la capacidad de adsorción. Los materiales se caracterizaron mediante FTIR, DRX, SEM-EDS, DLS, XPS y análisis termogravimétrico. Los resultados demostraron capacidades de adsorción destacadas, alcanzando 466 mgCu2+/g y 1999 mgPb2+/g, junto a eficiencias de remoción superiores al 90 % en concentraciones intermedias, con buena resistencia a medios ácidos y capacidad de reutilización. Los biopolímeros de triple red (ACSGLPM_Ca) lograron un balance óptimo entre porosidad, adsorción y estabilidad química. Finalmente, los ensayos con azul de metileno arrojaron remociones de 86 %, confirmando su potencial para el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados y compuestos orgánicos.

This research addresses the design, synthesis, characterization, and optimization of bioadsorbents based on chitosan (CS) and sodium alginate (SA) for the removal of heavy metals such as copper (Cu2+) and lead (Pb2+), as well as emerging contaminants like methylene blue (MB) from wastewater. The biocomposites were developed at a 1:1 (w/w) ratio, incorporating in situ calcium carbonate (CaCO3) to enhance porosity and create additional active sites. Various synthesis conditions were assessed, including drying methods (conventional, vacuum, freeze-drying, and combined techniques), gelation media, and precursor compatibility. Crosslinking agents, such as sodium tripolyphosphate (ionic crosslinking) and glutaraldehyde (chemical crosslinking), were employed to enhance structural stability in acidic environments. Additionally, derivatized cellulose fibers were tested for Cu2+ and MB adsorption. Operational parameters, including pH, contact time, particle size, temperature, and sorbent dosage, were evaluated for their influence on adsorption capacity. The materials were characterized through FTIR, XRD, SEM-EDS, DLS, XPS, and thermogravimetric analysis. Results demonstrated remarkable adsorption capacities, reaching 466 mgCu2+/g and 1999 mgPb2+/g, along with removal efficiencies above 90 % at intermediate concentrations. The materials exhibited good acid resistance and regeneration potential. The triple-network biopolymers (ACSGLPM_Ca) achieved an optimal balance between porosity, adsorption performance, and chemical stability. Finally, methylene blue adsorption tests achieved 86 % removal, confirming the potential of these materials for treating wastewater contaminated with both heavy metals and organic compounds.