Desarrollo y caracterización de minerales arcillosos tipo Montmorillonita con aplicación ambiental en remediación de contaminantes

Abstract

La contaminación ambiental presenta diferentes desafíos para la ciencia que involucran un trabajo multidisciplinario. Entre las diferentes problemáticas una de ellas es la referida a la contaminación del agua. En partículas, la industria nuclear genera una gran cantidad de residuos radiactivos, derivados principalmente de la producción de energía y de la investigación. Para mitigar el impacto, existen diversas técnicas o enfoques. Entre ellas, la sorción se destaca debido a su versatilidad y aplicabilidad a diferentes situaciones de remediación y tipo de contaminantes. Este enfoque cuenta con ventajas como la eficiencia, facilidad de operación y disponibilidad de sorbentes. Entre los candidatos más prometedores se encuentran los minerales arcillosos, como los filosilicatos, y en particular la montmorillonita, que además de las facilidades mencionadas presenta muy bajo costo. Ésta se caracteriza por tener una gran área superficial y una adecuada capacidad de intercambio catiónico que puede utilizarse para remediar diversos contaminantes. Además, al combinarse con nano partículas de óxidos de hierro, como Fe3O4 o Fe2O3, el composito resultante adquiere propiedades magnéticas que permiten su manipulación y recuperación mediante el uso de campos magnéticos externos. En esta tesis se aborda el estudio de la montmorillonita sódica (Na-MMT), considerando tanto su funcionalidad como remediadora como su capacidad de ser modificada por nanopartículas ferrosas. Para realizar este análisis se utilizaron cálculos de primeros principios en el marco de la Teoría de la Funcional Densidad (DFT). Se analizó su estructura considerando dos modelos y su capacidad de producir intercambio catiónico con elementos contaminantes procedentes de la industria nuclear como estroncio (Sr), cobalto (Co) y cesio (Cs), el primero en diferentes grados de hidratación en el espacio interlaminar. Se calcularon los parámetros hiperfinos en diferentes modelos y los resultados obtenidos fueron analizados en términos de datos experimentales previos obtenidos por la técnica NMR. Los modelos propuestos fueron modificados para tomar en cuenta la presencia de hierro (Fe) como impureza. Se evaluó la estabilidad de la ocupación sustitucional de Fe en diferentes sitios octaédricos y tetraédricos con diferentes diluciones y se calcularon parámetros hiperfinos para comparar con resultados experimentales obtenidos mediante espectroscopia Mössbauer. Asimismo, se estudió la adsorción de nanosclústeres de Fe3O4 y Fe2O3 en distintas superficies y diferentes sitios de adsorción. Los resultados indican que uno de los modelos empleados reproduce adecuadamente los parámetros estructurales e hiperfinos comparado con datos experimentales de la literatura. La sorción de Sr, Co y Cs en el espacio interlaminar resultó energéticamente favorable. En cuanto a la adsorción en la capa octaédrica, el Fe sustitucional a menores diluciones tuvo preferencia por los sitios de magnesio. Los sitios de preferencia en la superficie 001 para los nanosclústeres de fórmula unidad Fe3O4 y Fe2O3 son los oxígenos que integran los anillos siloxanos.