Síntesis, caracterización y aplicación de nanopartículas de hierro, en la remoción de HTPs en suelos y aguas de la provincia de Francisco de Orellana – Ecuador

Abstract

Describe una síntesis verde para la producción de nanopartículas de hierro cero valente (nZVIs). En la fabricación de las nanopartículas se utilizaron extractos de cereza capulí (Prunus serotina) y mortiño (Vaccinium floribundum) como agentes reductores y estabilizantes. Las nanopartículas se caracterizaron mediante técnicas dispersión dinámica de luz (DDL), Espectroscopia Ultravioleta Visible (UV-VIS), Microscopía de Transmisión Electrónica (MET), Difracción de Rayos X (DRX) y Espectrometría Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR). Las nanopartículas de hierro cero valente preparadas con mortiño (vZVI), se utilizaron para evaluar la eliminación de los hidrocarburos totales de petróleo (HTPs) en agua y suelo en pruebas en lotes. La cinética de remoción de HTPs en suelos, se realizó utilizando relación 1 gramo de suelo:1 mililitro de nanopartículas vZVI (0,1MFe) durante 40h. Adicionalmente, se realizaron ensayos en columnas empacadas con arena de río contaminada con ~10000 ppm de HTPs. En estos ensayos se transfirieron soluciones de nanopartículas vZVI durante 36 horas a un flujo de 5 mL/min, utilizando diferentes proporciones gramos de suelo: mililitros de nanopartículas (1:0,5; 1:1; 1:2). Finalmente, usando el programa Visual ModFlow Pro-Model Muse, se modeló la formación de la pluma de contaminación en el prototipo de acuífero confinado luego de la inyección de HTPs a través de dos pozos. Posteriormente, se liberó nanopartículas (vZVI) en el acuífero a través de pozos de inyección y se estimó el flujo, transporte y degradación de los contaminantes durante 100 días. Las nanopartículas de hierro sintetizadas con extracto de mortiño (V. floribundum) tuvieron un diámetro de 13,2 nm analizadas con DDL y MET, mientras que el diámetro de las nZVI preparadas con extracto capulí (P. serotina) fue de 11,9 nm. Luego de la optimización del protocolo de preparación de las nanopartículas, se obtuvo 5 VI diámetro en el intervalo de 5-10 nm. Los estudios UV-Vis de las nanopartículas preparadas con el extracto de mortiño (V. floribundum) y diámetros entre 5.8 y 10 nm, indican que el pico con la máxima absorbancia corresponde a la exitación de los plasmones de superficie y ocurre a una longitud de onda de 205 nm (región infrarroja). Por otro lado, los espectros DRX de las nanopartículas muestran picos que se asocian con hematita y hierro cero valente, siendo la concentración de Fe(0) del 5% y del 24% para protocolo con capulí y mortiño, respectivamente. Los espectros de FTIR muestran grupos funcionales comunes en nanopartículas y en los extractos de frutas, aunque existe un pequeño desplazamiento de la longitud the onda en los espectros de las nanopartículas. Los picos corresponden a los polifenoles que son los componentes clave para la síntesis de las nanopartículas. En las pruebas en lotes para remover HTPs desde agua, utilizando nanopartículas vZVI con 24% de hierro, los porcentajes de remoción estimados son 85.94% (CHTPs,i = 9.32 mg/L) y 88.34% (CHTPs,i = 94.20 mg/L). En cambio para suelos la remoción fue de 81.90% (CHTPs,i = 5000 mg/kg) y 24,6% (CHTPs,i = 1284 mg/kg). La cinética de remoción de HTPs, se completó en 40h con una remoción de 36.61% (CHTPs,i = 304.26 mg/kg) y 81.76% (CHTPs,i = 5100 mg/kg) y los datos se ajustaron a una cinética de orden cero y de primer orden, en ese orden. Con las columnas en lecho fijo se logró mayor degradación de los hidrocarburos de petróleo: 86.20% para CHTPs,i = 10000 mg/kg, 89.76% para CHTPs,i = 5000 mg/kg y 39.18 % para CHTPs,i = 1000 mg/kg. Se nota que la remoción es mas eficiente cuando el suelo tiene mayores concentraciones de HTPs. Por otra parte, en los ensayos de remoción de petróleo utilizando el prototipo de acuifero confinado, se obtuvo una máxima remoción de 87%. Los mecanismos de remoción de HTPs se cree que están asociados con la interfase suelo-agua-hierro, iniciados con la reacción Fenton. Finalmente, se observó una nítida pluma de contaminación en el acuífero al modelarse el VII destino y el transporte del HTPs utilizando el programa Visual ModFlow Pro-Model Muse. Además, con este mismo programa se pudo observar la extinción de la pluma después de la liberación de las nanopartículas a través de los pozos de inyección.En este contexto, los resultados sugieren que las nanopartículas vZVI podrían ser una tecnología prometedora para limpiar los suelos y aguas contaminados con HTPs.