APLICACIÓN DE HIERRO ELEMENTAL ESCALA NANOMETRICA (NZVI) EN LA REMEDIACION DE CONTAMINACION AMBIENTAL

Ing. Nelson Oliver Quispe MárquezIng. Máximo Eduardo Arteaga TéllezIng. Laura Yucra PereiraIng. Gabriela Choque Mamani

Sucre – Bolivia2017

Se debe a la introducción en el medio ambiente, de agentes que no pertenecen a él, en proporciones elevadas.

CONTAMINACION AMBIENTAL

CONTAMINACION AMBIENTAL

CONTAMINACION AMBIENTAL

* Es un elemento maleable* De color gris plateado* Presenta propiedades magnéticas

Tiene dos estados de oxidación +2 y +3

(1-100 nm)

• Tecnología versátil (tratamiento de una gran variedad de contaminantes)

• Agente reductor • No es toxico• Menor coste-efectividad

• Son partículas a la escala nano de alta calidad y pureza.

Según el método de síntesis de nZVI varía:

Esquema de la estructura

➢ 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.

Propiedades generales de hierro

SímboloPunto de fusionPunto de ebullición 2861 CDensidad (g cm 3) 7.87Masa atómica relativa 55.845Número atómico 26isótopos clave 56FeEnergía de ionización

Fe1538 C2861 C7.8755.8452656Fe761 kJ mol

APLICACIONES

• INMOVILIZACION DE CONPUESTOS INORGANICOS

• Las NZVI han resultado efectivas para la inmovilización de materiales comoBe, 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.

❖ forman especies menos tóxicas

❖degradados BAJAS concentraciones

• INMOVILIZACION DE CONPUESTOS ORGANICOS• 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

APLICACIONES DE LA NANOREMEDIACION

SISTEMA DE INFILTRACION REDUCTORAINYECCION CAMBIO ESTRUCTURA

SUSTANCIA INOCUA

APLICACIONES MEDICINALES

• Recomendaciones de la OMS sobre consumo de hierro elemental en EMBARAZADAS

• Para prevenir la:

• anemia materna

• sepsis puerperal

• bajo peso al nacer

• nacimiento prematuro

Se recomienda que las embarazadas tomen un suplemento diario por vía oral de hierro y ácido fólico con entre 30 y 60 mg de hierro elemental

REMEDIACION AMBIENTAL

CONTAMINACION POR HIDROCARBUROS

CONTAMINACION MINERA

NANOTECNOLOGÍA PARA REMEDIAR SUELOS

NZVI EFICAZ TRATAMIENTO DE CONTAMINANTES

TRIHALOMETANOSBromoformo

dibromoclorometano

METALES PESADOSCr VI, Hg2+, Cd2+, Pb2+,

Ni2+

PCBs, ANIONES INORGÁNICOS

(perclorato, nitrato)

PESTICIDAS ORGANOCLORADOS

(DDT, Lindano)

CLOROBENCENOS(hexaclorobenceno, pentaclorobenceno)

OTROS DISOLVENTESORGÁNICOS

(Cloroformo, PCEDiclorometano,Tetracloruro de

carbono)

NANOHIERRO

Las técnicas actuales de tratamiento de suelos contaminados y de aguas subterráneas no son eficaces en muchas situaciones

Nuevas técnicas de remediación alternativas utilizan las propiedades reductoras del hierro para eliminar o estabilizar contaminantes inorgánicos, orgánicos y radiactivos, en la remediación in situ como para el desarrollo de tecnologías de tratamiento ex-situ para la recuperación de suelos y aguas contaminadas.

REMEDIACION DE SUELOS

Remoción de metales por adsorción en NPs

• Hg por NPs-Au-citrato• As en NPs Fe3O4

• Mo en Fe2O3

• Cr en TiO-Ag• Pb en NPs de Ti

Nanopartículas Reductoras

Reducción química de:• Tetracloroetano en NPs de FeS• Cromatos, As5+, U5+, Se4+ sobre NPs de Fe0

Remoción del 99% de As sobre Fe-polimero (Cundy, 2008)

SECUESTRO DE CONTAMINANTES POR NPs

• Adsorbentes en solución• Lixiviación del suelo• Extracción de contaminantes• Estabilización• Tratamiento ex situ

REACONDICIONAMIENTO DE SUELOS

• NMs Zeolita porosa, arcilla, poliéster, humusAlta capacidad de absorber iones y agua

• Retención de nutrientes: fosfatos, nitrógeno de lenta liberación.NanoesferasNCsSoluciones de NPs

TRATAMIENTO IN SITU

• Reacción rápida:Reducción del tiempo del tratamientoBajo coste

• Inyección Directa o recirculación• Amplia capacidad y rapidez de degradación de

contaminantes• Disminuye el tiempo de exposición de los trabajadores, la

fauna y la flora. Completa reducción a productos no tóxicos

• Se requiere menor equipamiento

DNAPL Líquidos densos en fase no acuosa

Direct Injection of nZVI in the Field(Geosyntec Consultants)

TRATAMIENTO IN SITU

BARRERAS PERMEABLES REACTIVAS

TRATAMIENTO IN SITU

BARRERAS PERMEABLES REACTIVAS

Funnel and GateTM and Continuous PRB Configurations(Nathanail et al. 2007)

TRATAMIENTO IN SITU

BARRERAS PERMEABLES REACTIVAS

Inconvenientes• Necesidad de una elevada cantidad de polvo de Fe para construir una barrera

modesta.• Gran coste de construcción de la barrera

• 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 deabsorción de los óxidos situados en la corteza de la nanopartícula. De manera que seforman especies menos tóxicas.

Inmovilización de compuestos inorgánicos

Inmovilización de compuestos orgánicos

• Con las NZVI especialmente se tratan compuestos 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.(Percloroetileno, tricloroetileno, dicloroetileno, cloruro de vinilo, etileno)

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Disponible enhttp://www.academia.edu/14555715/NANOREMEDIACION_DE_SUELOS

NANOREMEDIACIÓN DE SUELOS

Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE” – Departamento de Ciencias de la Tierra y la Construcción -Carrera de Ingeniería Geográfica y del Medio Ambiente (Pichincha Ecuador)

Negrete Miranda D.C.1, Mosquera Montalvo N. C.2, Espinosa Noboa J.A.3, López Vaca D. A 4

ResumenEn este artículo es dar a conocer las aplicaciones de las nanoparticulas para remediación del suelo. También se ha estudiado las propiedades de las nano partículas de hierro elemental que hacen que reaccionen muy eficientemente con los compuestos contaminantes del suelo degradándolo o alterando su naturaleza para hacerlos menos peligrosos. Se da a conocer una mayor eficiencia y rapidez en los procesos de descontaminación de emplazamientos frente a otras tecnologías más convencionales. Además, son ampliamente versátiles dado que pueden aplicarse al tratamiento de diferentes tipos de contaminantes con buenos resultados. Resaltan la gran utilidad de las nano partículas para la remediación de suelos contaminados, especialmente en áreas donde la actividad industrial es intensa.

Heavy metal removal using nanoscale zero-valent iron (nZVI): Theory and applicationShaolin Li, Wei Wang, Feipeng Liang, Wei-xian Zhang

ResumenEn este artículo, se considera que es importante el tipo de tratamiento que se debe emplear de acuerdo a la naturaleza del agua residual. Se muestra que el hierro nanoscópico nulovalente (nZVI) es un reactivo ideal para eliminar metales pesados del agua residual. Los experimentos por lotes muestran que nZVI puede realizar la eliminación simultánea de diferentes metales pesados y arsénico; el nZVI reactivo en dispersión uniforme produce cambios rápidos en la solución Eh, permitiendo una manera fácil para la regulación de la reacción. La operación a lo largo de más de 12 meses muestra que este proceso logra remociones mayores a 99.5% de As, Cu y una cantidad de otros elementos tóxicos.

Disponible enhttps://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.01.032

Nanohierro cerovalente para remediación in situ de compuestos organocloradosrecalcitrantes: estudio de casoGerardo LópezConference paperUniversidad Tecnológica Nacional, Santa Fe, ArgentinaDepartamento de Ingeniería Mecánica e Industrial

ResumenEn este articulo se destaca el uso de nanopartículas de hierro cerovalente, por sus elevadas áreas superficiales, reactividades y flexibilidad que permiten la mitigación in situ de compuestos orgánicos persistentes como los materiales orgánicos halogenados. En este trabajo se presenta el primer caso de escalado a nivel industrial en América Latina de una nanotecnología que en la literatura se detalla sólo a través de ensayos a nivel laboratorio y piloto. La remediación se basa en el uso de nano Feº para mitigar, por debajo de 10 µg/dm2 de bifenilospoliclorados(PCB’s). El estudio de caso reside en la efectiva remediación de hormigón estructural contaminado con PCB’s mediante decloración con nanopartículas de hierro, escalando una tecnología que previamente sólo había sido implementada a escala experimental en medios porosos naturales, como suelos.

Disponible en:https://www.researchgate.net/publication/269700902_Nanohierro_cerovalente_para_remediacion_in_situ_de_compuestos_organoclorados_recalcitrantes_estudio_de_caso

Effects of nano-sized zero-valent iron (nZVI) on DDT degradation in soil and its toxicity to collembola and ostracodsYehia S., El-Temsah, Erik J. Joner

ResumenEn este estudio, se investigó el efecto del nZVI sobre la degradación del DDT y sus efectos ecotoxicológicos en coleópodos (Folsomia candida) y ostrácodos (Heterocyprisincongruens). Se usaron dos suelos en experimentos de incubación en suspensión con una duración de 7 y 30 d; un suelo arenoso enriquecido con puntas (20 mg DDT kg-1) y un suelo contaminado con DDT envejecido (> 50 años) (24 mg DDT kg-1). Estos se incubaron con 1 o 10 g de nZVI kg-1, y se analizó la toxicidad residual en el suelo y la fase acuosa mediante pruebas ecotoxicológicas con colémbolos u ostrácodos. Se observaron efectos negativos graves de nZVI en ambos organismos de prueba después de 7 días de incubación, pero la incubación prolongada condujo a la oxidación de nZVI que redujo sus efectos tóxicos sobre los organismos probados. Por otro lado, el DDT tuvo efectos negativos significativos sobre la reproducción de collembolan y el desarrollo de ostrácodos. Se concluyo que 1 g nZVI kg-1 fue eficiente para la degradación significativa de DDT en suelo enriquecido, mientras que una concentración mayor fue necesaria para el tratamiento de contaminantes envejecidos en el suelo.

Disponible en:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653513003299

El tratamiento de aguas residuales consiste en unaserie de procesos físicos, químicos y biológicos quetienen como fin eliminar los contaminantes presentesen el agua efluente del uso humano.

Cr, Cd, Cu, Hg, Pb, Zn

• Precipitan• Se adsorben• Se transforman en otroscompuestos menosTóxicos (reducción)

Qué pasa con los contaminantes?

1. Adsorción

Contaminantes

* Se fija únicamente enla superficie.* Se establece unequilibrio adsorción-desorción

Eliminación de una sustancia presenteen una fase líquida o gaseosa.

2. ReducciónLa reducción se producepredominantemente con la utilización de:

hierro cero-valente (ZVI) material con alto poder reductor

potencial redox de EºFe(II)/ Feº = -0.440 V

reducción con Fe(II) no está tan favorecida termodinámicamente

potencial redox Eº > +0.771 V.

3. Precipitación

Transformación de loscontaminantes en la superficiedel material y conversión aotras especies de bajasolubilidad o insolubles.

• Vía mecánica (uso del molino de bolas)

• Arco de plasma de hidrógeno

• Descomposición térmica

• Síntesis de Fase Gaseosa

• Litografía de haz de electrones

• Sonoquímica

• Métodos químicos

METODOS DE SÍNTESIS

SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE HIERRO

• CONDICIONES INERTES• PRESENCIA DE METANOL O ETANOL

• CARBOXIMETILCELLULOSA

CONDICIONES PARA LA OBTENCION DE NANOPARTICULAS DE HIERRO

La ecuación 2 muestra la propuesta de obtención de Fe (0) realizando la reducción a partir de hierro (II)

La síntesis en medio de etanol ayuda a la formación de una capa protectora de óxido que evita la oxidación total de Fe y es conocido como un proceso de pasivación.

De entre los diferentes métodos de obtención, la reducción química de iones de Fe (II) o Fe (III) en medio acuoso resulta ser un método rápido y fácil; que por lo general usa borohidruro de sodio (NaBH4) como agente reductor , tal como se muestra en la ecuación 1, en donde se observa, la

obtención de Fe (0) a partir de hierro (III)

METODO DE SÌNTESIS DESARROLLADO POR WANG Y ZHANG

Las partículas de Fe (0), al igual que otros nanomateriales, por serun polvo fino tienen una fuerte tendencia a aglomerarse enpartículas más grandes y por consecuencia a sedimentar, estotiene un efecto adverso tanto en su área de superficie efectivacomo en la limitación de su movilidad y

• En la figura se observa ladistribución de tamaño delas partículas de Fe (0), en laque se puede apreciar que eltamaño de partícula esheterogéneo sin embargo, elmayor número de partículastienen un tamaño entre 80 y150 nm por lo que resultanser más grandes con loreportado por Akbari yMohamadzadeh (2012),

Figura Diagrama de distribución de tamaño de partículas de Fe (0).

DISTRIBUCIÓN DE NANOPARTICULAS DE HIERRO

VENTAJAS

• Los procesos de remediación in situ han aumentado bastante, ya que NO existeuna legislación para su uso:

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

PAISES

• Alemania ● Italia

• Canada ● Eslovaquia

• Taiwan ● República Checa

VENTAJAS

AMPLIO ESPECTRO DE APLICACIÓN

Organoclorados, Metales Pesados, aminas, sulfuros, fenoles, tiosulfatos, biocidas, etc.

DERRAMES SUBTERRANEOS

Tratamiento in situ (Infiltraciones)traslado de contaminantes

perdidas mínimas

DESVENTAJAS

• Cómo evaluar el riesgo medioambiental?

Debemos conocer…• Movilidad

• Biodisponibilidad

• Toxicidad

• Degradación

• Persistencia en las diferentes muestras ambientales

• HIERRO Fe en exceso en el medio…• Alteraciones en el ADN

• Oxidación de lípidos y proteínas

CONCLUSIONES

• El efecto de las nanopartículas de hierro elemental en el suelo es remover los contaminantes del mismo, sin embargo estas también causan un efecto sobre la población bacteriana y microorganismos nativos del suelo disminuyendo dicha población

• 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. Oxidaciónquímica, solidificación…) y más rápida que los procesos de atenuación natural o biorremediación.

• Es preciso realizar un estudio previo del emplazamiento contaminado para determinar en cada caso la metodología de descontaminación más adecuada.

• Debido a la considerable falta de información respecto al comportamiento de las NZVI en el medio , y el potencial de riesgo medioambiental asociado al uso de dichas nanopartículas para la descontaminación, especialmente a largo plazo, es necesario:

❖Realizar estudios sistemáticos sobre los efectos de su utilización

❖Realizar un uso responsable

• Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatementof Environmental Pollutants: Materials andEngineering Aspects

• Taylor y Francis Group, LLCISSN: 1040-8436 printDOI: 10.1080 / 10408430601057611

• Nanopartículas de Hierro Zero-Valent para la Reducción de Contaminantes Ambientales: Materiales y Aspectos de Ingeniería

• Xiao-qin Li, Daniel W. Elliott y Wei-xian Zhang

• http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10408430601057611?journalCode=bsms20

• Centro de Materiales Avanzados y Nanotecnología, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Lehigh University, Bethlehem,

Pennsylvania, EE. UU.

• Ritika Mukherjee , Rahul Kumar , Alok Sinha , Yangdup Lama y Amal Krishna Saha

• (Harikumar & Joseph, 2012; Li et al., 2011; Tanboonchuy et al., 2010), Cr (VI) (Xu et al., 2010; Selvarani & Prema, 2012; Marius Gheju,

2011; Singh et al., 2011; Mallouk et al., 2008; Madhavi et al., 2012), Pb (II) (Zhang et al., 2010) y Cd (II) (Boparai et al., 2011; Soto-Hidalgo,

2011

Referencias bibliográficas

• Green Synthesis of Iron Nanoparticles and Their Environmental Applications and Implications.

Autores:Saif, Sadia1,2 sadia.saifpk@gmail.com,Tahir, Arifa1 arifa.tahir@gmail.com,YongshengChen2 yongsheng.chen@ce.gatech.edu /Nanomaterials (2079-4991). Nov2016, Vol. 6 Issue 11,p1-26. 26p.

• http://www.mdpi.com/2079-4991/6/11/209

• Cumba. L. Peñaherrera A.B. & Delgado V. Selective removal of metals fro contaminated soils

using nanodendrimers. ESPE Ciencia y Tecnología 3:1 (2011) pp.13-24

• Cumbal L.& Zhao D . Reducción del tricloroetano usando nanopartículas de hierro elemental,

fe(0), cubiertas con substancias estabilizadoras, ESPE Ciencia y Tecnología, 2:1 (2010), pp.38-

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• (Harikumar & Joseph, 2012; Li et al., 2011; Tanboonchuy et al., 2010), Cr (VI) (Xu et al., 2010;

Selvarani & Prema, 2012; Marius Gheju, 2011; Singh et al., 2011; Mallouk et al., 2008; Madhavi

et al., 2012), Pb (II) (Zhang et al., 2010) y Cd (II) (Boparai et al., 2011; Soto-Hidalgo, 2011

Video sobre aplicaciones del NZVI en La Republica Checa

https://www.youtube.com/watch?v=yDL-jt3ZLnI