Implicación de coloides y nanopartículas en la migración de contaminantes en el medio ambiente
Author
Benedicto Córdoba, AnaAdvisor
Missana, TizianaEntity
UAM. Departamento de Química Agrícola; Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)Date
2013-10-18Subjects
Coloides - Tesis doctorales; Nanopartículas - Tesis doctorales; Contaminación - Aspectos ambientales - Tesis doctorales; QuímicaNote
Tesis doctoral inédita. Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química Agrícola. Fecha de lectura: 18-10-2013Rights
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 EspañaEsta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Los coloides (partículas de diámetro menor a 1 μm), y el subgrupo de las nanopartículas (diámetro menor de 100 nm), están presentes en la gran mayoría de escenarios naturales y pueden constituir una vía de migración de contaminantes en el medio ambiente. Si las partículas se mantienen estables en suspensión y el contaminante es adsorbido en ellas de forma irreversible, estás pueden moverse con el agua facilitando a su vez el transporte del contaminante.
En este trabajo, se ha estudiado el papel de los coloides como vehículo de contaminantes en el marco de dos escenarios en los que podrían ser problemáticos.
Uno de ellos es el almacenamiento geológico profundo de residuos radiactivos (AGP). Aunque se han realizado multitud de estudios internacionales e interdisciplinares para garantizar la viabilidad de este proyecto, una de las incertidumbres que aún se mantienen es la presencia de coloides en el sistema que puedan facilitar el movimiento de los radionucleidos hacia el exterior del repositorio.
El otro escenario considerado es el aumento de la entrada de nanopartículas sintéticas en el medio ambiente, como consecuencia del gran auge de la nanotecnología en los últimos años. Se conoce muy poco acerca del comportamiento que estas partículas de síntesis tienen en la naturaleza y de cómo pueden afectar a la migración de otros contaminantes.
Dentro de este marco de estudio, este trabajo se ha basado en el análisis de la estabilidad de coloides (comportamiento de agregación-desagregación) y en el análisis de la adsorción de distintos contaminantes en las superficies coloidales. La adsorción se ha abordado desde una perspectiva experimental y a través del desarrollo de modelos mecanicistas de adsorción que permitan predecir la interacción contaminante-coloide en condiciones físico-químicas específicas con la ayuda de los códigos geoquímicos computacionales.
Se han estudiado distintos tipos de coloides. Por un lado, se han estudiado los coloides de ilita, montmorillonita y caolinita, en representación de los coloides arcillosos de origen natural, que son especialmente relevantes por su elevada reactividad y por su abundancia en el medio ambiente (y formados en el entorno de un AGP). Por otro lado, se han estudiado las nanopartículas de óxido de titanio (TiO2), en representación de nanopartículas de óxidos metálicos de origen sintético. Las nanopartículas de TiO2 son las producidas en mayor cantidad en la industria de las nanopartículas sintéticas.
Como elementos contaminantes (adsorbatos), se han estudiado el Cs, Ga, Np y Se, que presentan con muy diversas propiedades físico-químicas, lo que permite analizar distintos mecanismos de adsorción en los coloides. El Cs presenta una especiación química sencilla con una única especie en disolución, Cs+, que se adsorbe a través de intercambio catiónico en las arcillas. El Ga es un elemento anfótero que forma especies de hidrólisis catiónicas y aniónicas, cada una de las cuales pueden presentar distinto mecanismo de adsorción. Además se trata de un elemento de baja solubilidad, lo que puede complicar los estudios de su adsorción. El Np puede estar presente en distintos estados de oxidación (III-VIII) y formando diferentes complejos y especies de hidrólisis. Concretamente, en este trabajo se estudia el catión pentavalente NpO2+, que domina la especiación acuosa en un amplio rango de condiciones ambientales y presenta baja tendencia a adsorberse en los materiales geológicos. El Se(IV) se estudia como ejemplo de contaminante aniónico que se adsorbe predominantemente por complejación superficial en óxidos y arcillas.
Los radionucleidos 135Cs, 237Np y 79Se son componentes del combustible nuclear gastado, por lo que su comportamiento de migración es de gran relevancia en la seguridad de un AGP. Además, los radionucleidos 137Cs y 237Np han sido introducidos en el medio ambiente principalmente como consecuencia de ensayos de armamento nuclear y de accidentes en centrales nucleares. El Se inactivo y el Ga son contaminantes convencionales derivados en su mayoría de la actividad industrial y agrícola y de la quema de combustibles fósiles.
El estudio combinado de estabilidad de los coloides y de adsorción del contaminante en cada sistema considerado permite identificar las condiciones en las que la vía coloidal deben considerarse como una posible vía relevante en los modelos predictivos: en general, serán aquellas condiciones que favorezcan al mismo tiempo la presencia de coloides en estado desagregado y la adsorción elevada e irreversible del contaminante en los mismos.
En cuanto a los estudios de estabilidad, se han caracterizado los coloides de ilita y las nanopartículas de TiO2 en términos de carga superficial, tamaño medio y distribución de tamaños en función de factores del medio, como el pH o la fuerza iónica. Además, se han determinado las cinéticas de agregación ante un eventual cambio en las condiciones de pH o fuerza iónica en el sistema. Por primera vez, se ha evaluado el proceso inverso de desagregación de los coloides de ilita con la disminución de la fuerza iónica.
En cuanto los estudios de adsorción, se ha caracterizado la adsorción del contaminante en los coloides en función del tiempo de interacción, el pH, la fuerza iónica o la composición de cationes del medio experimentalmente en los siguientes sistemas coloide-contaminante: ilita-Cs, caolinita-Cs, sistemas mixtos arcillosos-Cs, ilita-Ga, montmorillonita-Ga, montmorillonita-Np, TiO2-Se. En base a los resultados experimentales y a conocimientos adquiridos de la literatura, se han desarrollado modelos de adsorción para cada uno de los sistemas estudiados. La aplicación de estos modelos permite un mayor entendimiento de las reacciones y mecanismos de interacción coloide-contaminante en condiciones determinadas del medio. Además, con la ayuda de los códigos geoquímicos computacionales, la cantidad de contaminante adsorbido en los coloides se puede estimar a través de los modelos de adsorción, informando acerca de la cantidad de contaminante susceptible de migrar junto a los coloides.
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