Pilarización a escala piloto de arcilla colombiana con un precursor Al/Fe en medio concentrado y su evaluación en la peroxidación catalítica de fenol en solución acuosa.

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Tesis - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Programa de Química

Incluye bibliografía p. 62-70

En el presente trabajo se logró desarrollar un método de pilarización a escala piloto de una bentonita Colombiana con el sistema mixto Al/Fe (Al/Fe PILC) y se evaluó su eficiencia en la eliminación de fenol en medio acuoso diluido mediante Peroxidación Catalítica en Fase Húmeda (PCFH); se adoptó fenol (PhO) como contaminante modelo ampliamente estudiado en la literatura, así como útil para estimar la respuesta del sistema catalítico en la degradación de materia orgánica natural (MON) disuelta para mejorar la calidad del agua de consumo en el Departamento de Nariño. Bentonitas colombianas como materiales de partida fueron modificadas vía intercalación de policationes mixtos Al/Fe tipo Keggin, para constituir pilares de los óxidos metálicos que le confirieran al material sitios catalíticamente activos en la reacción PCFH, junto con mejores propiedades texturales: mayor superficie específica y contenido de microporos. Pese a que los catalizadores Al/Fe PILC han demostrado una excelente eficiencia catalítica en la degradación PCFH de compuestos orgánicos disueltos en fase acuosa, la baja reproducibilidad en el método de preparación convencional y la necesidad de emplear disoluciones intercalantes y suspensiones muy diluidas de la arcilla, son en la actualidad una limitante muy seria para lograr su aprovechamiento en diversas aplicaciones a escala real.

En primera medida se identificó el material de partida que condujo a las mejores características fisicoquímicas y propiedades catalíticas en la Al/Fe PILC final: alta Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), elevada capacidad de hinchamiento, espaciado basal (d001) relativamente amplio, alta superficie específica y contenido de microporos, así como la mejor respuesta catalítica en la reacción PCFH bajo condiciones de temperatura y presión ambientales. El material más adecuado seleccionado en esta fase del trabajo fue la arcilla clase 2 (C2).

En segunda medida, el propósito central de este trabajo se enfocó en mejorar el método de preparación de la solución oligomérica intercalante Al/Fe en medio concentrado, en procura de lograr una significativa intensificación del proceso (disminuir el volumen de trabajo por unidad de masa del catalizador preparado). Para ello se adoptó una metodología alternativa y novedosa para la preparación de la solución intercalante Al/Fe en medio concentrado mediante hidrólisis in situ con aluminio metálico (Al0), que a la fecha no ha sido explorada en la literatura científica internacional en el campo de las arcillas pilarizadas. Resultados previamente obtenidos en el Grupo de Investigación en Materiales


Funcionales y Catálisis (GIMFC) sugirieron que esta aproximación metodológica podría permitir un incremento sustancial en la concentración total de los metales (CTM) disueltos. La intercalación/pilarización de la arcillas colombiana por este método requirió el planteamiento de dos series de experimentos: en la primera (DEO 1) se evaluó la concentración máxima de metales que se podía hidrolizar (CTMs totales nominales entre 1,0 y 5,0 mol/L) sin la precipitación o inestabilización significativa del producto, así como el efecto de la relación de aluminio suministrado en forma de Al3+ y de aluminio elemental Al0 (Al3+/Al0 entre 100/0 y 50/50), el cual resultó un parámetro sumamente útil para controlar la relación de hidrólisis de la solución.

La metodología de superficies de respuesta permitió establecer que las condiciones más favorables de preparación de la disolución para promover las mejores características fisicoquímicas de los sólidos intercalados a partir de una arcilla de referencia (BV), fue el sólido codificado como Al11: CTM = 5,0 mol/L; Al3+/Al0 = 50/50, δsln = 1,27 g/mL, pHfinal = 0,571, SBET Al/Fe PILC = 97 m2/g.

El segundo diseño experimental (DEO 2) permitió determinar las condiciones de preparación de la solución favoreciendo la mayor fracción de oligómeros mixtos de tipo Keggin. La caracterización fisicoquímica de los sólidos intercalados/pilarizados con estas disoluciones reveló que la mejor solución intercalante concentrada Al/Fe para la preparación a escala piloto presentó una relación Al3+/Al0 = 14/86, CTM nominal final = 5,0 mol/L, δsln. = 1,20 g/mL y un pHfinal de 3,3 (Al36); la intercalación/pilarización de la arcilla C2 purificada por tamaño de partícula (C2-Ext), con calcinación final a 400 °C/2h, arrojó las mejores propiedades fisicoquímicas (SBET = 124 m2/g, d001=1,77 nm) y catalíticas (eliminación de Fenol = 89,66 % (1 h de reacción)1) en la Al/Fe-PILC.
Con las mejores condiciones de preparación determinadas anteriormente, se logró la obtención de una disolución intercalante Al/Fe hidrolizada a escala piloto (5,1 L, suficiente para preparar 3,8 kg de Al/Fe-PILC); el producto final resultó estable y libre de sólidos suspendidos con las siguientes propiedades: δsln de 1,33 g/mL, pH final de solución de 3,3, CTM experimental de 5,73 mol/L, relación atómica molar (RAM) del 8,0 %, conductividad de 51,4 mS/cm. Lo anterior permite reportar por primera vez la preparación de la disolución intercalante mixta Al/Fe en una concentración 96 veces mayor a la hasta ahora reportada típicamente en la literatura internacional del área como método estándar a escala de laboratorio (CTM ~ 0,06 mol/L). Esto supone una significativa intensificación en el proceso de preparación de soluciones intercalantes y, por ende, de arcillas pilarizadas a mayor escala. El material C2-Ext intercalado con esta disolución presentó las siguientes propiedades fisicoquímicas y catalíticas: d001=1,71 nm, SBET = 146 m2/g, Sµp= 115 m2/g, eliminación de fenol de 57 % y mineralización de fenol del 27 % del COT inicial (1 h reacción)2. Estos resultados son muy promisorios para lograr la preparación a escala de Al/Fe-PILCs y su aplicación en la degradación PCFH de MON disuelta en aguas superficiales para producir agua de consumo de mejor calidad en el Departamento de Nariño.