Revista «Residuos»

La revista técnica de

medio ambiente.

Diciembre 2012,

nº 131

Ana Belén Armenteros Cañada

Mª Carmen González Ramírez

USO DE

NANOPARTÍCULAS

DE HIERRO EN

PROCESOS DE

DESCONTAMINACIÓN

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1. INTRODUCCIÓN

2. nZVI COMO

HERRAMIENTAS DE

REMEDIACIÓN IN SITU

3. PROPIEDADES DE LAS

Nzvi

4. APLICACIONES DE

LAS nZVI

5. VENTAJAS DE LA

UTILIZAICÓN DE nZVI

6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI

7. CONCLUSIONES

USO DE NANOPARTÍCULAS

DE HIERRO EN PROCESOS DE

DESCONTAMINACIÓN

1. INTRODUCCIÓN ¿Por qué es interesante investigar las nanopartículas de

Fe con valencia cero?

3

Amplitud de sus aplicaciones

Alta reactividad

Menor relación coste-efectividad

Tecnología versátil (tratamiento de una gran variedad de contaminantes)

1. INTRODUCCIÓN NANOPARTÍCULAS Y NANOMATERIALES.

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Definición

• Es posible definirlo como materiales con al menos una dimensión menor 100 nanómetros, el tamaño depende de las propiedades.

¿Cuales son esas propiedades?

• Mecánicas, Magnéticas, Ópticas, Electrónicas y Químicas en comparación con los microorganismos.

Existe una relación

superficie-volumen

Disminuye el

tamaño de las

partículas.

la porción de

átomos de la

superficie y en las

proximidades de la

superficie

Aumenta.

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1. INTRODUCCIÓN

Es posible afirmar que

los átomos superficiales

son más inestable, llegando

a la estabilidad a partir de

reacciones y fenómenos de

absorción con otros

átomos y moléculas.

Importante

Debido a los grandes avances en este campo

se está introduciendo nuevos materiales en

casi todos los sectores.

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• Partículas Ultrafinas.

Aire

• Coloidales.

• Arcillas.

• Óxidos de hierro.

• Materia orgánica.

Suelo y Agua • Biomoléculas como proteínas.

• Ácidos nucleídos.

Otra nanopartículanatural

1. INTRODUCCIÓN

2006

356 nanoproductos

2010

1317 nanoproductos

según los datos del PEN, 2011a, suponiendo

un crecimiento de 270%.

1. INTRODUCCIÓN Evolución o aparición de las diferentes nanopartículas:

Existen aplicaciones como:

Las primeras nanopartículas son

nanotubos de hierro

Nanomateriales basados en óxidos

de metal

Nanocristales semiconductores

Nanopartículas de plata

Nanopartículas de oro

Nanocristales semiconductores

Las relacionadas con el desarrollo de productos respetuosos con el medioambiente.

La remediación in situ de emplazamientos contaminantes.

El desarrollo de sensores para la detención de contaminantes.

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2. nZVI COMO HERRAMIENTA DE

REMEDIACIÓN IN SITU

BARRERAS PERMEABLES REACTIVAS

Materiales granulares de hierro con valencia cero (ZVI) de tamaño micro

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• Precipitan

• Se adsorben

• Se transforman en otros compuestos menos tóxicos

¿Qué pasa con los contaminantes?

2. NZVI COMO HERRAMIENTA DE

REMEDIACIÓN IN SITU

• Necesidad de una elevada cantidad de polvo de Fe para construir una barrera modesta.

• Gran coste de construcción de la barrera

¿Inconvenientes para una amplia extensión?

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• Introducción de las nZVI

¿Solución?

• Reducción de costes

• Amplio campo de aplicaciones

• Inyección directa o recirculación

• Gran capacidad y rapidez de degradación de gran variedad de contaminantes

¿Por qué?

2. NZVI COMO HERRAMIENTA DE

REMEDIACIÓN IN SITU

2. nZVI COMO HERRAMIENTA DE

REMEDIACIÓN IN SITU

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Mayor superficie de contacto = mayor reactividad

NANOPARTÍCULA DE Fe

Ø 50 nm

PARTÍCULA DE POLVO DE Fe

Ø 1 mm

2. NZVI COMO HERRAMIENTA

DE REMEDIACIÓN IN SITU

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Los procesos de descontaminación con nanopartículas dehierro han resultado efectivos para una gran variedad decontaminantes medioambientales como:

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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Según el método de síntesis de nZVI varía:

El tamaño de partículaDistribución y área

superficial específicaPresencia de trazas

metálicas

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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Reductor = se oxida

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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Esquema de la estructura de

las nZVI en medio acuoso.

Núcleo: formado por Fe (0), que

confiere el poder reductor

(suministra electrones) para

reaccionar con determinados

metales y compuestos orgánicos

halogenados.

Corteza: tienen lugar fenómenos

de adsorción.

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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Problema…

Tendencia a formar agregados

(propiedades ferromagnéticas)

Disminución de la movilidad

Disminución de la reactividad

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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¿Cómo reducir el grado de agregación y obtener nZVIestabilizadas?

Estos soportes confieren mayor estabilidad a las nanopartículasdebido a los fenómenos de impedimento estérico y/o repulsiónelectrostática.

AÑADIENDO:• Especies hidrófilas o anfifílicas. Ej: surfactantes

• Polímeros o polielectrolitos

• Soportes de almidón

• Soportes de ácido poliacrílico

• Soporte de carboximetil celulosa

• Soporte de dodecilsulfato de sodio

3. PROPIEDADES DE LAS nZVI

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Otra forma…

nZVI + metal= nanopartículas bimetálicas

¿Por qué?

Porqué el 2º metal favorece la oxidación del hierro (pérdida de electrones) y actúa como catalizador en la

transferencia de electrones.

4. APLICACIONES DE nZVI

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• Los procesos de remediación in

situ han aumentado bastante, ya

que no existe una legislación para

su uso:

• En Europa

• EE UU

• Provocando que ningún país

prohíbe y permita su utilización.

•Alemania.

•Canadá.

•Taiwan.

•Italia.

•Eslovaquia.

•República Checa.

Países Países

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• Sobre el uso de nZVI para descontaminación de las aguas subterráneas y remediación de suelos.

Aumento de estudios de Investigación

• Que sus potenciales implicaciones medioambientales hayan proliferado bastante.

Provocando

4. APLICACIONES DE nZVI

• Compuestos Inorgánicos

• Compuestos Orgánicos

Tipos de

Inmovilizaciones

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• Las nZVI han resultado efectivas para la inmovilización de

materiales como Be, Cd, Ni, Zn, As, Pb, Cr, Ag, V y U. Gracias a

las propiedades que posee el Fe(0) y a la capacidad de absorción de

los óxidos situados en la corteza de la nanopartícula.

• De manera que se forman especies menos tóxicas.

• Tabla de contaminantes que pueden ser degradados por nZVI.

INMOVILIZACIÓN DE COMPUESTOS

INORGÁNICOS.

4. APLICACIONES DE nZVI

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• Las nZVI especialmente se trata de orgánicos halogenados.

• El mecanismo de eliminación es el de reducción ya que Fe(0) se

oxida, cediendo electrones que aceptan compuesto orgánico,

reduciendo y formando compuestos hidrocarburos y cloruros.

INMOVILIZACIÓN DE COMPUESTOS

ORGÁNICOS.

4. APLICACIONES DE nZVI

EJEMPLO

Percloroetileno Tricloroetileno Dicloroetileno

Cloruro de vinilo

Etileno

5. VENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI

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Se destaca que el empleo de nZVI puede resultar una técnica de

remediación efectiva para la degradación e inmovilización in situ de

diferentes contaminantes presentes en aguas, suelos e incluso subproductos

de depuradora como biosólidos.

Es una tecnología versátil para el tratamiento de una gran variedad de

contaminantes (orgánicos como inorgánicos) que comparada con el

tratamiento con Fe(0) a microescala y otras técnicas resulta más rápida y

simple.

Reduciendo el tiempo necesario para la descontaminación se obtiene un

ahorro a nivel económico y una reducción en el tiempo de exposición de

los trabajadores y ecosistemas afectando a la contaminación.

5. VENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI

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Los costes de fabricación de nZVI se han reducido a la mitad en los últimos años.

Esta tecnología no implica la adición de una sustancia química extraña al medio, pues el elemento mayoritario de estas partículas son el hierro que es bastante

abundante en la naturaleza.

MUY IMPORTANTE

Con la utilización de nanorremediación con nZVI para la descontaminación en distintas zonas contaminantes permite ahorrar entre 87 y 98 billones de dólares en

aproximadamente 30 años, es decir, 66 a 77 billones de euros.

6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI Se están realizando estudios de monitorización de su aplicación para

determinar ventajas e inconvenientes del uso de esta tecnología emergente.

¡¡¡Es necesario seguir INVESTIGANDO!!!

¿Cómo evaluar el riesgo medioambiental? Debemos conocer…

Movilidad

Biodisponibilidad

Toxicidad

Degradación

Persistencia en las diferentes muestras ambientales

Fe en exceso en el medio… Alteraciones en el ADN

Oxidación de lípidos y proteínas

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Muy

importante

6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI Las nZVI en muestras de agua y suelo, pueden agregarse o adsorberse a

otras especies, a través de las cuales pueden llegar a otros organismospresentes, como microorganismos, plantas, invertebrados del suelo,peces…de manera que se podrían introducir en la cadena trófica.

El estudio del potencial de migración de las nZVI es importante parapoder predecir su concentración en el medio, y va a depender de lacomposición de las nZVI (especialmente del soporte estabilizador) y delas características del medio, tipo de suelo o agua, en el que se hayanaplicado.

Muestras con facilidad de migración: quedarán diluidas

Muestras con poca facilidad de migración: dan lugar a zonas deelevadas concentraciones de nZVI próximas a los puntos de tratamiento.

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6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVILas nanopartículas de Fe son muy reactivas

Pueden transformarse en otros compuestos

Pueden degradarse químicamente

Biodegradarse

(acción de microorganismos)

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6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI

• Nivel de toxicidad aguda en organismos acuáticos = bajo

• A concentraciones < 1mg/l, las lesiones observadas son reversibles

• Las nZVI se adhieren a los organismos y a las células pudiendo causar cambios histológicos y alteraciones morfológicas.

• Los soportes de estabilización de las nZVI que presentan menor toxicidad son los que tienen menor adherencia.

• Algunos efectos tóxicos detectados son la alteración de la membrana plasmática, pudiendo llegar a causar la lisis celula.r

• Las nZVI envejecidas en condiciones aerobias presentan menor toxicidad gracias a la rápida oxidación del Fe (0).

Efectos ecotoxicológicos por exposición a las nZVI a escala de laboratorio:

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6. DESVENTAJAS DE LA

UTILIZACIÓN DE nZVI

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Resumiendo…

¡¡¡EVALUAR RIESGO POTENCIAL DE EXPOSICIÓN Y BIOACUMULACIÓN EN ORGANISMOS!!!

• Capacidad de migración

• Degradación

• Persistencia

• Toxicidad

Actualmente no se observa un riesgo medioambiental significativo del uso de las nZVI, pero…

¡¡¡ES RECOMENDABLE MONITORIZAR A CORTO Y LARGO PLAZO!!!

CONCLUSIONES

La remediación con nZVI es…

Una tecnología emergente adecuada para la

descontaminación in situ de determinados emplazamientos

contaminados.

Una alternativa a otras técnicas in situ más agresivas con el

medio y de mayor coste (Ej. Oxidación química,

solidificación…) y más rápida que los procesos de

atenuación natural o biorremediación.

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CONCLUSIONES Es preciso realizar un estudio previo del emplazamiento

contaminado para determinar en cada caso la metodologíade descontaminación más adecuada.

Debido a la considerable falta de información respectoal comportamiento de las nZVI en el medio , y el potencialde riesgo medioambiental asociado al uso de dichasnanopartículas para la descontaminación, especialmente alargo plazo, es necesario:

Realizar estudios sistemáticos sobre los efectos de suutilización

Realizar un uso responsable

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