APLICACIONES DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO Kiomi Roxy Moreano Vargas, Amaro Andrés Caso Lloclla, Gustavo Encarnación Condezo. Asignatura: Fisicoquímica Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica Universidad Nacional de Ingeniería
RESUMEN El presente trabajo tiene la finalidad obtener nanopartículas de Hierro para su utilización en la descontaminación de aguas que contienen arsénico. La obtención de nanopartículas de Hierro se obtiene a partir de FeSO4 (sulfato de hierro) y H 2C2O4 (Ácido oxálico), haciendo reaccionar. Se presenta una fase sólida (precipitado) y una fase líquida. Luego se procede a filtrar desechando la solución y quedándose con el precipitado que luego es secado y posteriormente se procede a calcinar el precipitado y de esta manera obtener nanopartículas de Fe. En la segunda parte demostramos cómo las nanopartículas de Hierro remueven el arsénico del agua, ya que el arsénico constituye un componente del agua subterránea, lo que resulta nocivo para la salud cuando esta en cantidades considerables en este recurso vital. Se sabe que el hierro es conocido por su capacidad para disminuir la concentración de arsénico en el agua haciéndola apta al consumo, como agua potable.
INTRODUCCIÓN Hemos visto la problemática del agua contaminada con arsénico en el sur del país, y que es la misma que consume la población de la ciudad de Tacna, la cual es potabilizada en las 2 principales plantas de tratamiento de EPS (Entidad Prestadora de Servicios de Saneamiento) Tacna. Semanalmente se toman muestras de agua y se hacen pruebas que son realizadas por los técnicos de dicha empresa. Estas muestras contienen alto nivel de arsénico, lo cual es preocupante. En promedio, los niveles de este peligroso elemento químico en el agua superan los 0.04 miligramos por litro (mg/l). El arsénico es una de las 10 sustancias químicas que la OMS (Organización Mundial de la Salud) considera más preocupantes para la salud pública. Los esfuerzos de la Organización por reducir la exposición al arsénico incluyen el establecimiento de valores guía, el examen de los datos científicos disponibles y la formulación de recomendaciones para la gestión de los riesgos.
La OMS ha definido un valor guía para el arsénico en sus Guías p ara la calid ad d el agu a po table cuya finalidad es servir en el mundo entero de base para las tareas de reglamentación y normalización. En estos momentos, el límite recomendado para la concentración de arsénico en el agua potable es de 10 μg/l.
En varios departamentos y distritos de Perú, el agua potable muestra una contaminación por arsénico generalizada que supera el límite de arsénico establecido por la OMS y supone una amenaza para la salud pública que requiere mayor investigación y acción. A su vez conocemos que la la contaminación del agua y del suelo producto de mineras, provocado por la presencia de arsénico ha generado muchos problemas de salud, tal como es el caso de los pobladores de Cajamarca, donde según una investigación, los habitantes de esa ciudad (La Ramada y Tual), se contaminaron por consumir productos que fueron expuestos al agua proveniente de la Planta El Milagro que utiliza la minera Yanacocha, la mina de oro más grande de Sudamérica, que desarrolla sus actividades en cuatro cuencas: la Quebrada Honda, Río Chonta, Río Porcón y Río Rejo. Las nanoestructuras ya se utilizan ampliamente en diferentes áreas, como la biología y electrónica. Se está en un momento en que se tienen suficientes herramientas para hacer una real contribución en la solución de problemas ambientales usando nanotecnología. Se ha comenzado a ver aplicaciones concretas de la nanotecnología, sin embargo, esto recién está comenzando, por lo que tenemos la oportunidad de hacer una gran contribución a su desarrollo. Es por ello que este proyecto consistió “en sintetizar, caracterizar y aplicar sistemas de nanopartículas de hierro a diversas problemáticas de la sociedad. En particular nos enfocamos en la utilización de estos sistemas muy pequeños con excelentes propiedades de adsorción de elementos (metales pesados), para solucionar problemas medioambientales asociados a la minería y también en el rubro agrícola.
PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA El problema surge apartir del interés de la problemática medioambiental de los altos niveles de la concentración de arsénico en aguas para el consumo humano. Esta problemática provocó bastante interés, ya que presenta un desafío para todo tipo de soluciones. Se plantea una alternativa para descontaminar aguas con niveles altos de arsénico y hacerlas aptas para el consumo humano.
Cómo obtener nanopartículas de Fe de una manera sencilla y eficiente.
Primero definimos parámetros destinados a mejorar la eficiencia de la adsorción de diferentes elementos, tales como arsénico, a través de nanopartículas de hierro, en este caso, observando de manera particular el pH, el cual presenta una mayor capacidad de adsorción en condiciones ácidas. Tomamos en cuenta la relación entre el pH del líquido contaminado con la concentración de arseniato As, y el tiempo de contacto en que las nanopartículas de hierro absorben el arsénico. Para la obtención de nanopartículas de Hierro se plantea primero a partir de FeSO4 (sulfato de hierro) y H2C2O4 (Ácido oxálico), haciendo reaccionar. Se presenta una fase sólida (precipitado) y una fase líquida. Luego se procede a filtrar desechando la solución y quedándose con el precipitado. Se procede a quemar el precipitado y así obtener nanopartículas de Fe. 4 ∙ 72 () + 2 2 4 () → 2 4 ↓ + 2 4
La principal fuente de exposición al arsénico es a través de pequeñas cantidades que se encuentran en el agua potable, esto constituye una grave preocupación en regiones donde la concentración natural de arsénico en las aguas subterráneas es alta. Algunos de los países que tienen altos niveles de arsénico en sus aguas subterráneas son Bangladesh, Taiwán, México, Chile, China y la India. La alta concentración de arsénico en lagos y arroyos tam bién puede ser mortal para los peces de agua dulce, los invertebrados y las plantas. A pesar de que algunas plantas pueden vivir en terrenos que tienen niveles altos de arsénico, la mayoría no crece tanto ni produce la cantidad de fruta que produciría en lugares donde el suelo no está contaminado. Salvo algunas excepciones, las plantas no acumulan arsénico en concentraciones elevadas y mueren si el suelo está muy contaminado.
Algunas actividades humanas incrementan potencialmente la concentración de arsénico en el aire, el agua y el suelo en el ámbito local. Las actividades mineras pueden incrementar la velocidad de liberación de arsénico a partir de sulfuros minerales porque los exponen a procesos de meteorización durante las tareas de excavación. La fundición de cobre y oro, así como la combustión de carbón, producen polvo de arsénico. La aplicación directa de arsénico en forma de plaguicidas o protectores para madera ha sido históricamente una fuente importante de arsénico para el suelo. El escurrimiento de arsénico proveniente de lugares contaminados podría afectar las reservas de agua dulce y sus ecosistemas asociados, pero la contaminación de aguas subterráneas como resultado de la actividad humana es poco común porque el arsénico tiene una fuerte tendencia a adherirse a las partículas de tierra y los sedimentos. Por el contrario, la liberación natural de arsénico de materiales geológicos se ha convertido en una amenaza para las fuentes de agua potable del mundo.
Fig 1: Precipitado obtenido luego de la reacción antes establecida, FeC 2 O4.
Toxicidad del arsénico
Debido a su carácter venenoso y porque es una causa del desarrollo de cáncer en los humanos. El consumo de grandes cantidades de arsénico a lo largo de la vida puede incrementar el riesgo de contraer cáncer de órganos internos como la vejiga, los p ulmones y el hígado. Algunos de los efectos no cancerosos de la exposición de los seres humanos al arsénico son la decoloración y engrosamiento de la piel, enfermedades cardiovasculares y gastrointestinales y gangrena.
Actividades humanas que intensifican la liberación de arsénico
El arsénico en la industria minera
Las emisiones de arsénico hacia la atmósfera producto de la fundición del cobre constituyen, con mucho, la mayor fuente de arsénico de la industria minera y metalúrgica y han sido el objetivo de las tecnologías para el control de la contaminación y de regulaciones cada vez más exigentes. El arsénico también puede ser arrastrado de algunos yacimientos de metales por acción de cianuros o del drenaje ácido de roca, pero es posible atraparlo y eliminarlo de las aguas residuales antes de su liberación al medio ambiente. Un metal tan nocivo como el arsénico, probadamente lesivo para la piel además de causante de cáncer a la misma y al hígado, supera hasta en 393 veces el nivel permitido por los estándares internacionales en el suelo del valle del Mantaro, de acuerdo a los
resultados dados a conocer por el proyecto El Mantaro Revive. Otros metales como el cadmio, el plomo, el mercurio y el antimonio también superan esos estándares, con lo cual se demuestra fehacientemente la crisis de la salud en la zona en el valle del Mantaro, especialmente en La Oroya. Según el informe, el arsénico (As) fue el metal con mayor concentración en el suelo de La Oroya Antigua, donde se encontró 4713 partes por millón (ppm), Según los especialistas, los resultados de los suelos regados por el río Mantaro indican altos niveles de concentración de metales dañinos para la salud. No obstante, estos suelos se usan para el cultivo de pastos, alcachofas, papas y habas que consumen millones de personas en Lima y el valle del Mantaro.
SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO En primer lugar se procedió a la obtención de las nanopartículas de hierro, el método utilizado fue por formación de precipitado usando sulfato de hierro hepta-hidratado con ácido oxálico y su posterior calcinación, a continuación se explicará el proceso de síntesis de las nanopartículas de hierro: 1. Preparar una solución acuosa con los siguientes químicos: FeSO47H2O (sulfato de hierro) 6g
Fig
Registro 3:
procede a
fotográfico donde se pesar 6 gramos de FeSO 4.
H2C2O4 (Ácido oxálico) 3g
Fig 2: Complejo Metalúrgico de La Oroya.
OBJETIVOS
Objetivos generales
1. Contribuir de manera significativa al proceso de purificación de agua contaminada con arsénico. Esto, a partir de la utilización de nanopartículas de hierro, con alta capacidad de remoción de este metal pesado. Así como también optimizar el proceso y que se pueda realizar a gran escala. 2. Sintetizar nanopartículas de hierro.
Objetivos específicos
1. Emplear nanoparticulas de hierro, utilizando FeSO4 (sulfato de hierro) y H2C2O4 (Ácido oxálico), para reducir la concentración de arsénico en el agua, de tal manera que no afecte a la salud, ya que el agua es un recurso vital.
Registro fotográfico donde se Fig 4: procede a pesar 3 gramos de H 2 C2 O 4.
2. Se procedió a diluir cada muestra en dos vasos de precipitado, formando soluciones saturadas, para la disolucion del ácido oxálico se tuvo que calentar la solucion para favorecer la disolucion.
2. Descontaminar el agua proveniente de relaves mineros, puesto que afecta a las comunidades aledañas, con los niveles altos de arsénico, como es el caso de las provincias en Cajamarca, relacionado con la minera Yanacocha.
Registro fotográfico de la disolución Fig 5: de cada una de las sustancias requeridas.
3. Se procedió a mezclar las dos disoluciones realizadas en el anterior paso. Luego de mezclar se observó la formación de un precitado (oxalato de hierro) color amarillo.
6. En el paso 5 se obtuvo un precipitado de color amarillo, con este precipitado se procede a llevarlo a un horno, hasta deshidratarlo por completo.
Fig 9: Registro fotográfico el precipitado
Registro fotográfico donde se observa la Fig 6:
obtenido es llevado a un horno.
mezcla de las disoluciones hechas.
4. Luego de dejar sedimentar por un tiempo la mezcla anterior, se procede al filtrado. Quedándose con el precipitado que está retenido en el papel de filtro y deshechando la solución pasante.
7. Luego procedemos a pesar el papel de filtro que contiene oxalato de Hierro, el cual se obtuvo en el paso 6. Este precipitado se coloca dentro de un tuvo de ensayo.
Registro fotográfico del pesado del Fig 10: oxalato de Hierro. Registro fotográfico donde se aprecia la Fig 7: filtración de la mezcla anterior.
5. Después del filtrado realizado en el paso anterior, se obtiene un precipitado color amarillo.
8. Luego el tuvo de ensayo que contiene oxalato de Hierro es calcinado durante unos segundos, para la obtención de nanopartículas de hierro.
fotográfico donde se procede a calcinar por unos segundos. Fig
Registro fotográfico de el precipitado Fig 8: obtenido luego de la filtración.
Registro 11:
COMPROBACION DE LA OBTENCION DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO Para comprobar la obtención de nanopartículas de hierro se sometió la muestra a un análisis por difracción de Rayos X, el equipo utilizado fue el X’pert Powder.
2. Se contaminó una muestra de agua con el arsénico, se toman dos tubos de ensayo que contienen la muestra contaminada. El primer tubo de ensayo es para verificar la presencia de arsénico, después de verificar la presencia de arsénico en la muestra, se procede a utilizar el otro tubo de ensayo, pero adicionando nanopartículas de hierro y dejando actuar
Luego del análisis el equipo mostró el difracto-grama usando el software X’pert Data Collector: Counts Hierro_01
400
300
200
100
0 30
40
50
60
70
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
difractograma que evidencia la obtencion Fig 12: de nanopartículas de hierro
Según el difractograma se pudo deducir que las partículas son del orden de 10 -9 en tamaño, ya que el X’pert Powder trabaja con minerales de tamaño pequeños (polvo), y que a medida que el tamaño de las partículas disminuyen los picos aumentan de grosor.
DISMINUCION DE CONCENTRACION DE ARSÉNICO DE AGUAS CONTAMINADAS En esta parte se procedió al uso de las nanoparticulas de hierro para disminuir la concentracion de arsénico en aguas contaminadas:
1. Se tomo una muestra de diarsenato de sodio heptahidratado.
Fig 14: Registro fotográfico: agua
contaminada con arsénico.
3. Para identificar la presencia de arsénico en el primer tubo de ensayo, la cual no contiene nanopartículas de hierro,se utilizó una granalla de zinc, se le adicionó HCl 12 N se agregó una muestra del agua contaminada, y con un papel de filtro humedecido con AgNO3 se identificó al arsénico. Las reacciones surgidas fueron: + + 2 4 ∙ 72 → + ⋯ + → + 3
La reduccion de la plata indica la presencia de arsénico en el agua.
Registro fotográfico: Fig 13: diarsenato
de
sodio
Registro fotográfico: plata 15: metalica al ser muy oscuro indica alta concentracion de arsénico. Fig
4. Luego de verificar la presencia de arsénico utilizando el método del paso 3, se procede a hacer uso de las nanopartículas de hierro, las cuales fueron obtenidas anteriormente. Se toma el segundo tubo de ensayo que contiene agua contaminada con arsénico y se adiciona las nanopartículas de hierro. Se procede a agitar, esperar un tiempo para que las nanopartículas de hierro actuen.
RESULTADOS De las figuras 15 y 17 que son un antes y un después de la utilizacion de las nanoparticulas de hierro, se observó que la intensidad del color ha disminuido considerarblemente. Esto debido a que reaccionó menos plata, ya que hay menos arsénico en el agua. Por lo tanto se cumplió con los objetivos planteados:
Se obtuvo nanopartículas de Fe de una manera sencilla. Se logró disminuir la concentracion de As en el agua contaminado mediante el uso de nanopartículas de Hierro.
CONCLUSIONES
Se pueden obtener nanopartículas de manera sencilla en un laboratorio. Mediante el método de nanopartíulas de Hierro se puede hacer que los niveles de arsénico en agua disminuyan a gran medida. Este proyecto se puede aplicar a mayor escala, ya que al tener un tamaño a escala nano su reactividad son mucho mayor y su área de superficie de contacto también es mucho ma yor y queda demostrado que las nanopartículas de Hierro funcionan mejor que los métodos convencionales para limpiar el As del agua y suelo.
Registro fotográfico: se echó las Fig 16: nanopartículas contaminada..
de
hierro
al
agua
BIBLIORAFÍA
5. Se repitió el procedimiento del paso numero 3 y se observó una disminucion de la concentración de arsénico, ya que la intensidad del color ha disminuido.
Registro fotográfico: la intensidad del Fig 17: color ha disminuido
http://blogs.creamoselfuturo.com/nanotecnologia/2009/03/02/nanoparticulas-dehierro-y-sus-usos/ http://www.diariodeciencias.com.ar/arsenicolll-remediacion-por-nanotec-ventajas-ylimitaciones-importantes-sobrenanomateriales/ http://www.elmundo.es/elmundo/2011/10/10/ nanotecnologia/1318237136.html
Mónica Luna, Madrid. (2011) Nanociencia y Nanotecnología del Instituto" de Microelectrónica de Madrid (CNM-CSIC). Murad, E.; Johnston, J. H.; Long, G. J., Modern Inorganic Chemistry. Mossbauer Spectroscopy Applied to Inorganic Chemistry. Plenum Press, New York, USA, Vol. 2, p 507582. 1987 S. E. Baltazar et al. “Surface rearrangement of nanoscale zerovalent iron: The role of pH and its implications in the kinetics of ars enate sorption”. Environmental technology. 2014
ANEXOS
ANEXO B
ANEXO A
RESULTADO DE RAYOS X: MAGNETITA
RESULTADO DE RAYOS X: HIERRO
Nombre y fórmula
Nombre y fórmula
Codigo de referencia: 01-072-2303
Codigo de referencia: 98-017-1002
Nombre de mineral: Magnetita
Nombre de componente: Hierro
Nombre de componente: Óxido de hierro
Nombre común: Hierro
ICSD name: Óxido de hierro
Parámetros cristalográficos
Fórmula empírica: Fe3O4
Sistema cristalino: Ortorrómbico
Fórmula química: Fe3O4
Grupo espacial: Ibam
Parámetros cristalográficos
Número de grupo espacial: 72
Sistema cristalino: Cúbico
a ( Å):
5.541
Grupo espacial: Fd-3m
b (Å):
5.541
Número de grupo espacial: 227
c (Å):
23.649
a ( Å):
8.400
Alpha (°):
90
b (Å):
8.400
Beta (°):
90
c (Å):
8.400
Gamma (°):
90
Alpha (°):
90
Densidad calculada (g/cm3):
1.53
Beta (°):
90
Volumen de celda (106pm3):
726.09
Gamma (°):
90
Z:
12
Densidad calculada (g/cm3):
5.19
RIR:
5.29
Volumen de celda (106pm3):
592.7
Z:
6
RIR:
5.13
Difractograma indica presencia de Hierro Fig 18: Fig
Difractograma 19:
Magnetita
indica
presencia
de
ANEXO C Las propiedades magnéticas de las nanopartículas de hierro las hacen interesantes candidatos en múltiples aplicaciones.
APLICACIONES BIOMÉDICAS DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO La combinación entre medicina y nanotecnología es una gran esperanza en la lucha contra el cáncer. El combate de la enfermedad a escala molecular permitiría detectar precozmente la enfermedad e identificar y atacar de forma más específica a las células cancerígenas. Podemos emplear las nanopartículas fundamentalmente para el diagnóstico y tratamiento de células tumorales, pero también en otras aplicaciones que se enmarcan en el campo de la investigación biomédica, como la deposición de medicamentos o la medicina regenerativa. El mecanismo para la deposición de medicamentos consiste en un polímero en forma de capa que contiene un fármaco en su interior y que es capaz de llegar a las células dañadas y soltar el fármaco sólo en ese entorno.
Esquema de suministro de medicamentos Fig 20: usando nanopartículas de hierro.
En lo que se refiere a medicina regenerativa, se emplean nanopartículas para regenerar tejidos. En definitiva, las nanopartículas son, como vemos, un área de investigación que no está en absoluto agotada y que merece la pena explorar, ya que se pueden conseguir unos beneficios importantes no sólo para la ciencia sino también para mejorar la calidad de vida de la sociedad. Actualmente se está investigando las nanopartículas como futura solución para enfermedades hasta ahora incurables como el cáncer.
NANOPARTÍCULAS DE HIERRO PARA ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN Los investigadores están considerando el uso de nanopartículas para el almacenamiento de información, tales como la aleación hierro platino en fase tetragonal, centrada en las caras (con tamaños de 3 nanómetros). Si se logra modificar las nanopartículas magnéticas en esta escala tan pequeña, la densidad de información que se podría lograr superaría fácilmente 1 terabyte por pulgada cuadrada, capacidad mayor a 100 veces que otro dispositivo, como un disco duro.
