Antecedentes

El arsénico (As) es un elemento químico tóxico para humanos, plantas y animales. La presencia de niveles de arsénico mayores a 10 partes por billón (ppb) puede presentar problemas tales como cambios de color en la piel, malformaciones parecidas a costras en las palmas de las manos y las plantas de los pies, cáncer de piel, vejiga, riñón y pulmón, así como enfermedades presentes en los vasos sanguíneos de las piernas y los pies, presión arterial alta y trastornos de la reproducción según reporta la organización mundial de la salud en su sitio de internet. Agua empleada para consumo humano contaminada con arsénico es uno de los problemas graves alrededor del mundo ^[1]. Las partículas magnéticas son de gran interés para fluidos magnéticos, biotecnología, biomedicina, resonancia magnética, almacenamiento de datos y remediación ambiental. Dependiendo del estado de oxidación (Fe⁺² o Fe⁺³), los óxidos de hierro exhiben diferentes estructuras cristalinas que incluyen la hematita (á-Fe₂O₃) y maghemita (γ- Fe₂O₃), la hematita es termodinámicamente más estable que la magnetita Fe₃O₄. Hay varios métodos para producir Fe₂O₃ y Fe₃O₄, éstos incluyen rutas químicas húmedas como la coprecipitación, decomposición térmica en líquidos y microemulsiones o síntesis hidrotérmica, pero también formación de partículas en fase gaseosa en hornos tubulares o por descomposión de flama. Diferentes hornos existentes han sido usados para la síntesis de Fe₂O₃ incluyendo difusión de flamas o spray pyrolysis operando con precursores de Fe disueltos en una solución líquida ^[2].

Introducción

Arsénico contenido en agua para consumo humano fue removido con nanomateriales magnéticos obtenidos por dos diferentes técnicas de síntesis, el tamaño promedio de las nanopartículas magnéticas obtenidas por coprecipitación química fue de 7 nm ^[3], también se sintetizaron nanopartículas magnéticas por medio de la técnica ACCVD ^[4] logrando tener partículas de entre 100-1000 nm de una sola fase magnética, las cuales presentan una alta capacidad de remoción de arsénico y otros elementos químicos presentes en el agua.

ACCVD es una técnica para obtener nanopartículas que muestran la posibilidad de obtener bajo una atmósfera y temperatura controlada nanopartículas magnéticas que pueden ser sintetizadas, Fe2O3 and Fe3O4 ^[5]. El proceso de generar spray es comúnmente usado para una amplia variedad de materiales en forma de polvo. El método de spray proporciona grandes ventajas sobre las técnicas de procesamiento convencional de materiales ^[6,7].

En este trabajo, las nanopartículas magnéticas fueron obtenidas por coprecipitación química debido a que por este método se obtiene un tamaño de nanopartículas muy pequeño ^[8]. Se demuestra la eficiencia de remoción del arsénico contenido en agua para consumo humano por medio de las nanopartículas magnéticas y que se puede llevar a cabo un proceso sencillo y de fácil aplicación.

Procedimiento experimental

Nanopartículas magnéticas fueron sintetizadas por el método ACCVD usando materiales de grado reactivo: cloruro de hierro hexahidratado (III) (FeCl3·6H2O (JT Baker)), agua tridestilada como solvente. En la Figura 1, se muestra el procedimiento utilizado para la síntesis. Donde (1) es un controlador de flujo y donde se realiza la mezcla aire-argón como gas de arrastre, (2) es un ultrasonificador que genera gotas de la solución, (3) solución inicial, (4) tubo de cuarzo de 9mm de diámetro donde pasan las gotas de la solución precursora, (5) horno y (6) es el impactor donde las nanopartículas son colectadas para su posterior análisis.

Figura 1 Procedimiento de síntesis de nanopartículas de hematita por ACCVD. 

Variando la concentración de la solución de cloruro férrico (FeCl₃·6H₂O) de 0.01 M a 0.1M y la temperatura del horno, nanopartículas magnéticas con diferentes fases fueron sintetizadas. La solución fue atomizada usando una mezcla de aire-argón como gas de arrastre, la temperatura del horno fue de 440 °C a 590 °C, donde la solución fue evaporada para la formación de nanopartículas; y se modificó la composición del gas de arrastre, la concentración de la solución así como la temperatura del horno para que el tamaño y composición de las nanopartículas pudiera ser modificado. En la Tabla 1, se puede observar la variación de la concentración de la solución, la relación aire-argón que hace posible obtener Fe o hematita, así como obtener partículas de diferentes tamaños. La hematita es simple de obtener por este método y Fe puede ser obtenido por la ausencia de oxígeno.

La síntesis de materiales magnéticos por medio del método de la coprecipitación química, presentada en el diagrama de flujo en la Figura 1, ayuda a obtener materiales con especificaciones especiales. Dicho método consiste en mezclar una solución de cloruro férrico (FeCl₃·6H₂O) y cloruro ferroso (FeCl₂·4H₂O) agitándola mecánicamente hasta alcanzar una temperatura entre 60 °C y 70 °C y se le agrega un agente precipitante como el hidróxido de amonio (NH₄OH) al 10% en volumen para obtener las nanopartículas magnéticas. En este método de obtención de nanopartículas, al controlar el pH y la temperatura de la solución, se controla el tamaño y la fase deseada del material magnético. Después de la coprecipitación química, se lavan las nanopartículas con agua destilada para eliminar los residuos no deseados y que puedan afectar el proceso de captura de arsénico y otros elementos químicos contenidos en agua contaminada.

Resultados y discusión

Microscopia electrónica de transmisión

En la Figura 2a) se muestran anillos de un patrón de difracción característicos de magnetita y en la Figura 2b) un aglomerado de partículas nanométricas, las nanopartículas tienen un tamaño promedio aproximado de 7 nm. La composición química de las nanopartículas afecta la estructura interna de las mismas, por lo que los patrones son característicos para cada fase de los materiales magnéticos.

Figura 2a) y b) Nanopartículas y patrón de difracción de magnetita obtenidas por medio químico. 

Fierro puro (Fe) y hematita fueron obtenidos por ACCVD; la Figura 3a) muestra anillos de un patrón de difracción característicos de Fe y en la Figura 3b) se muestra una partícula con partículas nanométricas aglomeradas, las nanopartículas aglomeradas tienen un tamaño aproximado de 5 nm. La variación en la composición fue obtenida variando la relación de aire-argón del gas de arrastre. La composición de las nanopartículas afecta la estructura interna de las partículas.

Figura 3a) y b) Nanopartículas y patrón de difracción de hematita obtenidas por medio físico. 

La Figura 4 muestra la imagen del análisis realizado por microscopia de nanopartículas de magnetita y se puede observar la capacidad de remover otros elementos químicos presentes en al agua tomada para realizar las pruebas de remoción.

Figura 4 Zonas donde se realizó el análisis mediante microscopia electrónica de transmisión. 

Microscopia electrónica de barrido

En las Figuras 5a) y 5b) se muestran imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido de las nanopartículas magnéticas, donde se observa que son de tamaño diferente, el tamaño de las nanopartículas obtenidas por medio químico son de un tamaño menor que las obtenidas por el medio físico, esto tiene su explicación por el proceso de nucleación y crecimiento en la obtención. Es notable la diferencia de tamaño promedio, en la Figura 5a) se puede observar que el tamaño promedio está en 7 nm mientras que en la Figura 5b) se observa un tamaño promedio de 250 nm.

Figura 5a) Imagen de nanopartículas de magnetita obtenida por medio químico. 

Figura 5b) Imagen de nanopartículas de hematita obtenidas por medio físico. 

Difracción de rayos X

La Figura 6a) muestra un patrón característico de nanopartículas magnéticas de hematita, estás partículas fueron usadas para remover arsénico de agua contaminada, el ancho y la alta intensidad de los picos es debida al tamaño de las partículas. El tamaño de las nanopartículas con una concentración de 0.01 M es de 250 nm. La Figura 6b) muestra un patrón para las nanopartículas de magnetita el tamaño promedio de las nanopartículas se puede evidenciar por ensanchamiento de los picos. Para la hematita se pueden observar picos más intensos, esto es debido a que hay presente una mayor cantidad de cristales orientados en la misma dirección en un tamaño más grande de partícula, por lo tanto al tener menor cantidad de cristales, las nanopartículas de magnetita tienen picos con menor intensidad.

Figura 6a) XRD de hematita obtenida por medios físicos. 

Figura 6b) XRD de magnetita obtenida por medios químicos. 

En la Tabla 1 se pueden observar los elementos presentes en las nanopartículas empleadas para la remoción de arsénico contenido en agua para consumo humano, por lo que demuestran una alta capacidad de remoción de diferentes contaminantes presentes en el agua.

En la Tabla 2 podemos ver el tiempo de remoción, así como el costo estimado por m³ de agua tratada con las nanopartículas por ambos métodos y la capacidad de remoción, las nanopartículas de hematita obtenidas por medio físico son más eficientes al remover al mismo tiempo de contacto que con las nanopartículas obtenidas por medio químico, pero el tiempo de obtención y la cantidad obtenida por experimento es mayor. La magnetita tiene un tiempo de obtención sumamente bajo por lo que se compensa con un porcentaje bajo de remoción comparado con la hematita.

Conclusiones