Experimental and theorical studies of mixed smectite and AI2O3 nanoparticles to improve pollutant retention in geochemical barriers

Resumen

Con el objetivo de diseñar barreras geoquímicas optimizadas para la retención de contaminantes, en este estudio se analiza, teórica y experimentalmente, las condiciones en las que la retención de contaminantes en la arcilla esmectita se mejora mediante la inclusión de nanopartículas (NPs) de alúmina (Al2O3). La esmectita se ha seleccionado por ser un material ampliamente empleado en barreras geoquímicas y de ingeniería. Las NPs de alúmina se consideraron para optimizar la sorción de contaminantes, por su elevada superficie específica, carga superficial y reactividad. El estudio se ha llevado a cabo con cuatro contaminantes, selenio, estroncio, cadmio y uranio, que abarcan distintos tipos de comportamiento de adsorción. Se ha realizado un estudio experimental muy detallado, mediante ensayos de adsorción y mediante el empleo de técnicas espectroscópicas, para valorar la retención de los contaminantes en los sistemas independientes, en un amplio rango de condiciones (tiempo, química del agua, pH, fuerza iónica). Se han propuesto modelos de complejación superficial, para describir de forma mecanicista, el comportamiento de adsorción en la esmectita y en la alúmina. Se ha analizado la sorción de los contaminantes en mezclas de esmectita y alúmina con el objetivo de verificar si los modelos de complejación desarrollados para la esmectita y la alúmina son capaces de describir, de forma aditiva, su comportamiento. Como soporte fundamental a los estudios de adsorción, se ha estudiado la estabilidad de las partículas de esmectita y alúmina, considerando el equilibrio químico de las mezclas. Se ha observado que al mezclar esmectita y NPs de Al2O3 se promueve una rápida (hetero)agregación, dependiente del pH y del contenido de alúmina en la mezcla. Los resultados de sorción obtenidos demuestran que las nanopartículas de Al2O3 aumentan significativamente la retención de especies aniónicas, como el selenio, en condiciones de pH inferiores al punto de carga cero de la alúmina. La adición de Al2O3 mejora la retención de cationes en la esmectita, en aquellas condiciones en las que la complejación superficial es el mecanismo de sorción dominante. Sin embargo, la sorción no aumenta, e incluso disminuye, en aquellas condiciones en las que el principal mecanismo de adsorción es el intercambio iónico en la esmectita (pH ácido y baja fuerza iónica). La adsorción de contaminantes en las mezclas se ha podido simular de forma satisfactoria, considerando el modelo aditivo, en aquellos casos en los que la adición de alúmina mejora la sorción. Sin embargo, se sobreestima la sorción en las condiciones donde el intercambio catiónico en la esmectita es dominante. La alúmina es responsable de esta disminución de la sorción en las mezclas. Por un lado, la disolución de la alúmina puede proporcionar iones Al3+ que compiten con el contaminante. Por otro lado, no se descarta que la (hetero)aggregación de las partículas en las mezclas promueva que las nanopartículas se depositen en las láminas de arcilla, apantallando su carga negativa, afectando a la adsorción de los cationes.