Desarrollo de una Síntesis de Cristales Porosos Magnéticos para la Extracción en Fase Sólida de Arsénico

Abstract

[spa] En este proyecto de investigación se presenta un método para la síntesis de nanocristales porosos magnéticos (ZIF-8@Fe3O4), para la extracción de contaminantes ambientales. Dicha síntesis se basa en el encapsulamiento de nanopartículas de Fe3O4 en los cristales de la red metalo-orgánica ZIF-8, basada en la coordinación de Zn (II) con 2-metilimidazol. En la síntesis propuesta se hace uso del ligando monodentado butilamina con el fin de promover la protonación del 2-metilimidazol, acelerando el crecimiento cristalino. Con el fin de evaluar la síntesis propuesta se realizó un diseño de experimentos factorial de dos niveles (DOE), en el cual se propuso modificar las relaciones estequiométricas entre los precursores y evaluar el impacto en las características físicas de interés del cristal (área superficial y distribución de las partículas magnéticas), así como, en el rendimiento de la síntesis y en el desempeño de los nanocristales como absorbentes de arsénico en medio acuoso. Las muestras obtenidas en el experimento factorial fueron caracterizadas utilizando las técnicas de difracción de rayos X en polvo, microscopia electrónica de barrido (SEM), adsorción-desorción de nitrógeno y termogravimetría. El encapsulamiento de las nanopartículas de Fe3O4 fue exitoso y el análisis SEM permitió observar su presencia y distribución en la superficie del cristal. Todas las muestras obtenidas presentaron un patrón difracción de rayos X comparable con el reportado en la literatura y un área superficial igualmente comparable con la publicada (entre 300 y 600 m2 g -1 ). Las muestras obtenidas fueron evaluadas como adsorbentes de arsénico en solución acuosa, pudiéndose apreciar una diferencia significativa entre muestras cuando el tiempo de contacto era de 1 h y la concentración de arsénico de 2.5 µg L-1 . Aumentando el tiempo de contacto a 8 h, los resultados entre muestras resultaron ser muy similares rondando, en todos los casos, el 100% de adsorción. Como herramienta para la determinación de la capacidad adsorción de arsénico por parte de las muestras evaluadas, se desarrolló un método espectrofotométrico automatizado. El método desarrollado se basó en la técnica de espectrofotometría de fluorescencia atómica la cual se acoplo a la técnica de generación de hidruros y ésta a su vez a un sistema de análisis por inyección de flujo multijeringa (MSFIA). Con este sistema se obtuvo un límite de detección de 0.20 µg L-1 y un rango lineal de 0-20 µg L-1 para la determinación de As, así como una frecuencia de análisis 12 h-1 . Las características analíticas obtenidas fueron adecuadas para poder analizar todas las muestras evaluadas en un tiempo razonable, con una sensibilidad y precisión adecuadas.

[eng] In this research project, we present a method for the synthesis of nanocrystals ZIF8@Fe3O4. The developed method is based on the encapsulation of Fe3O4 nanoparticles during the ZIF-8 metal-organic framework crystal growth. ZIF-8 is based on the coordination of Zn (II) with the organic linker 2-methylimidazole. In the proposed synthesis, the monodentate ligand butylamine is used to promote protonation of the 2- methylimidazole accelerating the ZIF-8 crystal growth. In order to evaluate the proposed synthesis, a full two-level factorial experiment design (DOE) was carried out, in which it was proposed to modify the stoichiometry reagents to evaluate their impact on the properties of the prepared magnetic porous crystals (surface area and distribution of the magnetic nanoparticles), as well as their performance for the extraction of arsenic from aqueous medium. The samples obtained from the factorial design experiment were characterized using powder X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM), surface area analysis (BET) and thermogravimetry. The Fe3O4 nanoparticles were successfully encapsulated in the ZIF-8 crystals as showed by the SEM analysis observing their presence and distribution on the surface of the porous crystals. The samples obtained from the DOE have X-ray diffraction patterns comparable to those reported in the literature, and comparable surface area values (300 - 600 m2 g -1 ). The samples obtained from the DOE were evaluated as sorbents for the extraction of arsenic from aqueous solution. A significant difference between samples was observed after a contact time of 1 h and a concentration of 2.5 µg L-1 of As. After a contact time of 8 hours the obtained results for the extraction of As were very similar between them (approximately 100% of As absorption). As a tool for the determination of arsenic in the samples evaluated, an automated method was developed. The developed automated method is based on atomic fluorescence spectrophotometry coupled to hydride generation implemented using the multisyringe flow analysis technique (MSFIA). With this system, a limit of detection of 0.20 µg L-1 and a linear range of 0-20 µg L-1 were obtained. An analysis throughput of 12 h-1 was obtained, enabling sample analysis with good sensitivity and reproducibility within a reasonable time.