MODIFICACIÓN TÉRMICA Y QUÍMICA DE UN MINERAL RICO EN HIERRO PARA LA REMOCIÓN DE ANIONES EN SOLUCIÓN ACUOSA

A. Acosta-Rangel1, M.S. Berber-Mendoza1, K.J. Ramírez-Muñiz2, N.A. Medellín-Castillo1, M. Gallegos-García1, L.G. Hernández de la

Rosa1, G. K. Loredo Martínez1

, 1Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava 8, San Luis Potosí, SLP 78290, México. 2 División de Ciencias Ambientales, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., Camino a la Presa San José 2055, Col. Lomas 4 Sección, SLP 78216, México.

Agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por la beca otorgada (CVU: 362551)

La Hematita al ser natural presenta pequeña área especifica y por lo tanto sus capacidad de adsorción fue

relativamente baja.

El proceso de modificación térmica no mejoró la capacidad de adsorción debido a que fueron materiales con bajo

contenido en agua y fases cristalinas con ausencia de grupos hidroxilados.

La caracterización por FT-IR y MEB confirman la presencia de Al en la superficie de la Hematita por modificación

química.

La Hematita modificada directamente con hidróxido de aluminio presenta mejores capacidades de adsorción, mejoró 4

veces la capacidad de adsorción de Cr(VI) con respecto a la Hematita natural.

La modificación química de la Hematita, permite el desarrollo de un mejor adsorbente con mejor eficiencia y de bajo

costo.

REFERENCIAS

COFEPRIS, Comisión federal para la protección contra riesgo sanitario, estrategia de comunicación de riesgos en SLP, por M.V.Z. Erich Eduardo Neumann Ramirez, (2012).

Gallegos-García, M., Ramírez-Muñiz, K., & Song, S. (2012). Arsenic removal from water by adsorption using iron oxide minerals as adsorbents: a review. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review,

33(5), 301-315.

García-Sánchez, J. J., Solache-Ríos, M., Martínez-Gutiérrez, J. M., Arteaga-Larios, N. V., Ojeda-Escamilla, M. C., & Rodríguez-Torres, I. (2016). Modified natural magnetite with Al and La ions for the adsorption of

fluoride ions from aqueous solutions. Journal of Fluorine Chemistry, 186, 115-124.

Teutli-Sequeira, A., Solache-íos, M., Martínez-Miranda, V., & Linares-Hernández, I. (2015). Behavior of Fluoride Removal by Aluminum Modified Zeolitic Tuff and Hematite in Column Systems and the

Thermodynamic Parameters of the Process. Water, Air, & Soil Pollution, 226(8), 1-15.

Existe una preocupación creciente por mejorar la calidad de aguas residuales contaminadas por metales tóxicos como el Cr(VI). Las especies de Cr(VI) usualmente son de origen antropogénicos, tóxicas si se ingieren a más de 0,05 mg/L,

atraviesan fácilmente barreras biológicas y han mostrado ser mutagénicas y carcinogénicas. Una alternativa para la remoción de Cr(VI) es la adsorción, dentro de los adsorbentes naturales se encuentran los óxidos de hierro, los cuales son

abundantes en la naturaleza y presentan afinidad por aniones. Su capacidad de adsorción es limitada por tener áreas superficiales pequeñas, sin embargo, se puede aumentar al someterlos a tratamientos térmicos.

En este trabajo se estudió la modificación térmica y química de una Hematita proveniente de la industria CEMEX. Se caracterizó por DRX, MEB, Fisisorción de N2, TGA y FT-IR. Se encontró que es Hematita en un 78 % y tiene área

superficial de 5.85 m2/g. El tratamiento térmico se hizo a 400 °C, provocando un aumento en el área a 8.54 m2/g, debido a la deshidratación y reacciones de descomposición. El IR en la muestra modificada químicamente mostró que el

aluminio fue depositado como hidróxido. Los resultados experimentales de equilibrio de adsorción muestran que la Hematita natural presenta su mayor capacidad de adsorción de Cr (VI) a pH=3, y en la modificada químicamente es a pH=7.

Sin embargo no se mejoró la capacidad de adsorción con el tratamiento térmico, debido a que existen factores relativos a las características estructurales.

Se ha estimado que alrededor de 884

millones de personas carecen de

acceso al agua potable adecuada y

1.8 millones de niños mueren cada

año en todo el mundo de diarrea

debido principalmente a la

contaminación del agua.

Kumar et al., (2014)

León, Guanajuato.

Cr(VI)

ADSORCIÓN

Hematita (Fe2O3)

TRATAMIENTO TÉRMICO

MODIFICACIÓN QUÍMICA

Al(OH)4- AlO2

-

Agua cristalina

Agua de constitución

sales

ADSORBENTE TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

25 °C

Baño a temperatura constante

Recirculador de agua

MODIFICACIONES

González et al., (2003)

Teutli-Sequeira et al.,

(2015)

Materia prima proveniente de la

industria de construcción (CEMEX).

Adsorbedor en lote

Gallegos-García et al., (2012)

Reacciones posibles SOH 2

+ + HCrO 4 - ⇔ SOH 2

+ (HCrO 4 - )

SOH 2 + + HCrO 4

- ⇔ SHCrO 4 + H 2 O

Sitios de adsorción

FeOH + H+ → FeOH2+ pH< pHpcc

FeOH + OH- → FeO-+H2O pH> pHpcc

La Figura 3 muestra las fotomicrografías del mineral

original a distintas magnificaciones, Con respecto a la

fase hematita (Fe2O3) el óxido de hierro original

presenta morfologías regulares con clivajes definidos y

superficies lisas, con hábito cristalino masivo. También

presenta partículas con morfologías irregulares y

texturas rugosas correspondientes a la calcita (CaCO3)

y cuarzo (SiO2). En el caso de la hematita modificada

químicamente, mostró morfologías de partículas

irregulares en su mayoría, y otras con superficies lisas

y contornos definidos. Las fases que se observaron fue

óxidos de hierro y aluminio (FeOx y AlOX) (Figura 4).

Figura 1. Difractograma de la Hematita natural y

modificada químicamente.

Figura 4. Fotomicrografías de la Hematita natural y modificada

químicamente con Al(OH) 3.

FeOx

AlOx

Figura 5. Análisis FT-IR de la Hematita natural y Modificada químicamente.

.

Figura 2. TGA de la Hematita natural.

Figura 3. Fotomicrografías de la Hematita natural (A) y tratado térmicamente (B).

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS ÓXIDOS NATURALES Y MODIFICADOS TÉRMICAMENTE

La rápida expansión y el asentamiento de numerosas industrias ha conducido a un deterioro

ambiental de los recursos hídricos en el mundo y al surgimiento de problemas y

enfermedades asociadas al consumo de agua que afecta a comunidades enteras, Dentro de

los metales, el cromo proveniente principalmente de la industria curtidora de pieles, es

considerado como uno de los 16 contaminantes más tóxicos del mundo.

Con la finalidad de removerlo de aguas contaminadas, la adsorción es un método de

eliminación eficiente, de fácil manipulación y bajo costo, donde el adsorbente es el elemento

necesario que da la pauta al tipo de contaminante a adsorber. En este sentido los óxidos de

hierro son accesibles y abundantes en la naturaleza, en la mayoría de los ambientes

geológicos se encuentran con disponibilidad de sitios aniónicos, lo cual los vuelve atractivos

para la remoción de aniones.

Desarrollar un adsorbente para la remoción de Cr (VI) en solución acuosa a partir del tratamiento térmico y

químico de un mineral rico en hierro como una alternativa eficiente y económica.

Efectuar la modificación del mineral natural óxido de hierro mediante tratamiento térmico y modificación química.

Caracterización del mineral antes y después de las respectivas modificaciones .

Determinación de la máxima capacidad de adsorción de Cr (VI) en agua desionizada .

Evaluación del pH como parámetro principal que afecta el proceso de adsorción.

Elucidar el mecanismo de adsorción de Cr (VI), sobre los óxidos de hierro.

(b)

(c)

Un espectro IR de hematita presenta dos máximos de absorción a 540 y

470 cm-1 además de una banda más pequeña alrededor de 1000 cm-1 y

hombros a 1100 y 1170 cm-1, todos ellos debido a vibraciones Fe-O y

además una pequeña banda a 1630 cm-1 que señala la adsorción de agua.

El espectro FT-IR (Figura 5) del mineral original y modificado no muestra

gran variación en su comportamiento y es típico de un espectro de la

hematita. Este análisis permite constatar que si es fase de óxidos de hierro

(hematita). Por otro lado, el pico de adsorción en 3440 cm-1, se atribuye al

Al(OH)3. siendo mas notorio en la hematita modificada

Figura 6. Isotermas de adsorción de Cr (VI) sobre Hematita natural y modificada aT=25 °C . (a)

Efecto de Ph, (b) modificación térmica a pH=3 y (c) modificación química a pH=3.Las líneas

representan la isoterma de Freundlich..

El análisis químico de la muestra oxido de hierro original mostró que contiene

32.79 % Fe, 3.21 % Ca, 1.45 % Al, 0.88% Na y 0.31% Mg. Por lo cual se

considera un mineral de baja ley de hierro, con impurezas de Ca, Al, Na y Mg.

La difracción de rayos X y el método de refinamiento de Rietveld indican que la

muestra contiene hematita (78 %), calcita (16.2 %), cuarzo (4 %) y goethita (1.8

%) principalmente.

La modificación térmica indica el aumento en área superficial y el volumen de

poro, de 5.88 a 8.55 m2/g y 0.021 a 0.025 cm3/g, respectivamente. Sin embargo,

el diámetro promedio de poro disminuye de 14.4 a 11.7nm, lo anterior se puede

deber a que el tratamiento térmico provocó un ligero aumento en la porosidad

El análisis termogravimétrico (TGA) muestra un cambio en la pérdida de

peso de 1 % desde los 0 °C hasta los 300 °C, generado principalmente

por la deshidroxilación con una inflexión en la curva a 291 °C, las

pérdidas de peso mínimas (1-2 %) se pueden asociar a reacciones de

descomposición probablemente debidas a las impurezas presentes en el

mineral (Ramírez-Muñiz, 2014). Posteriormente ocurre otra pérdida de

peso en el rango de los 307 °C hasta los 700 °C con una pérdida de

peso de alrededor de 1.6 %, y una inflexión a los 650 °C atribuido a la

descomposición de la calcita que ocurre de los 600 a los 770 °C con un

pico intenso en 740 °C (Figura 2)

.

4.1 ISOTERMAS DE ADSORCIÓN.

(a)

Se investigó el efecto del pH sobre el oxido de hierro

original y se encontró que disminuyendo el pH

aumenta la capacidad de adsorción, esto se debe a

que el punto de carga cero es de 9.65 y por debajo

de éste la carga de la superficie es positiva por lo

que hay una mayor atracción entre los iones

cromatos y la superficie.

Por otra parte al modificarla térmicamente, aunque

aumentó su área específica, la capacidad de

adsorción disminuye, lo que se puede deber a que

pierde sitios durante la modificación

De acuerdo a los resultados del equilibrio de

adsorción, se observó que la hematita modificada

con Al(OH)3 presenta mejor capacidad de adsorción

en comparación a la hematita modificada con AlCl3

como se observa en las Figuras 6 (c),. Lo anterior se

atribuye a que el primero es un hidróxido como tal y

el segundo en solución acuosa se disocia en iones

Al3+ y Cl-, que, en contacto con el hidróxido de sodio,

produce el hidróxido de aluminio.