Nano-adsorbente de magnetita a partir de residuos de escala de laminación elimina eficientemente Cu(II) del agua: Síntesis, caracterización, cinética de adsorción y regeneración

Resumen

Convertimos residuos de escala de laminación de acería en un nano-adsorbente de magnetita (MNA) y evaluamos su rendimiento para eliminación de cobre(II). Tras molienda convencional y molienda de bola de alta energía (HEBM) por 3, 5 y 7 h, la muestra de 7 h (MNA-7) mostró fase cristalina Fe₃O₄ con tamaño de partícula promedio de 11,2 nm, área superficial específica de 5,98 m² g⁻¹, magnetización de saturación de 8,35 emu g⁻¹ y punto isoeléctrico de pH 5,4. Bajo condiciones óptimas (pH 5,4, 0,05 g L⁻¹ adsorbente, 120 min tiempo de contacto) logró captación de Cu(II) de 4,42 mg g⁻¹ y eficiencia de eliminación de 62,6 %. Los datos de adsorción se ajustaron mejor al isotermas de Temkin y al modelo cinético de pseudo-segundo orden (R² > 0,99). Tras tres ciclos de regeneración, el adsorbente retuvo 70,9 % de su capacidad inicial. Este material de bajo costo y acción rápida ofrece una ruta práctica para valorizar residuos de escala de laminación y remediar agua contaminada con cobre.

Introducción

La calidad del agua es crítica para la vida, sin embargo el crecimiento industrial ha intensificado la contaminación por metales pesados, particularmente cobre(II) (Cu²⁺). Aunque esencial en cantidades traza, concentraciones elevadas de Cu²⁺ causan graves riesgos para la salud y daño ecológico, impulsando límites estrictos: OMS establece 2 mg L⁻¹ y EPA 1,3 mg L⁻¹. Métodos convencionales de remediación (precipitación, intercambio iónico, separación por membrana, coagulación, adsorción) cada uno tiene inconvenientes; la adsorción destaca por su simplicidad, rentabilidad y alta eficiencia de eliminación. Sin embargo, muchos adsorbentes convencionales sufren de baja área superficial, unión débil y pobre regeneración.

Las nanopartículas, especialmente Fe₃O₄ magnético, ofrecen altas relaciones superficie-volumen, superparamagnetismo y fácil separación magnética, haciéndolas atractivas para eliminación de metales pesados. Sin embargo, el uso de magnetita derivada directamente de residuos industriales permanece poco explorado. Aquí, sintetizamos un nano-adsorbente de magnetita a partir de residuos de escala de laminación de acero mediante molienda de bola de alta energía, e investigamos sistemáticamente sus características estructurales, magnéticas y de adsorción para eliminación de Cu²⁺.

Materiales y Métodos

Materiales y Reactivos

Chips de escala de laminación se obtuvieron de una fábrica de acero malaya. Nitrato de cobre (Cu(NO₃)₂·3H₂O) se usó para preparar solución stock de 1000 ppm. Agua desionizada (Milli-Q) y HCl/NaOH 0,1 M se emplearon para preparación de soluciones. Un espectrofotómetro UV–Vis (λ = 600 nm) cuantificó concentraciones de Cu²⁺.

Síntesis de Nano-adsorbente de Magnetita (MNA)

Los chips crudos se lavaron, secaron a 104 °C y molieron a <100 µm. Impurezas no magnéticas se removieron vía separación magnética (MST) y partículas débilmente magnéticas se descartaron usando separación por temperatura de Curie (CTST). El Fe₃O₄ de tamaño micrométrico resultante se secó al aire y se sometió a HEBM por 3, 5 u 7 h para producir magnetita nano-dimensionada (MNA-3, MNA-5, MNA-7).

Caracterización del Nano-magnetita Adsorbente Preparado (MNA)

Análisis de fase emplearon XRD (Cu Kα, λ = 0,154 nm) y ecuación de Debye-Scherrer. Morfología se examinó por HRTEM, FESEM-EDS. Análisis BET (adsorción N₂) proporcionó área superficial específica y tamaño de poro. Potencial zeta se midió con Malvern ZS Zeta sizer, y propiedades magnéticas se evaluaron por VSM (0–13 kOe). Espectros FTIR (400–4000 cm⁻¹) identificaron grupos funcionales superficiales.

Estudios de Adsorción

Pruebas de adsorción por lotes usaron 100 mL soluciones de Cu²⁺ (10–50 mg L⁻¹) en matraces de 250 mL. Dosis de adsorbente variaron de 10 a 50 mg. Experimentos se realizaron a 25 °C, pH 5,4, con agitación. Porcentaje de eliminación y capacidad de adsorción se calcularon vía Ecs. (1) y (2). Tiempos de contacto hasta 240 min se evaluaron.

Estudio Cinético

Concentraciones de Cu²⁺ resueltas en tiempo (0–50 min) se ajustaron a modelos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden de Lagergren (Ecs. (3) y (4)). Valores R² evaluaron ajuste del modelo.

Estudio de Regeneración

Tras adsorción, MNA se separó magnéticamente, trató con HCl 0,1 M por 180 min a 26 °C, enjuagó a pH neutro, y secó a 60 °C por 1 h. El adsorbente regenerado se reutilizó en tres ciclos consecutivos; eficiencia de regeneración (RE) se calculó vía Ec. (5).

Análisis Estadístico

Datos se analizaron por ANOVA de una vía (SAS 9.4) con prueba post-hoc de Duncan (p < 0,05).

Resultados y Discusión

Análisis Estructural y de Fase

XRD confirmó transformación del residuo crudo en Fe₃O₄ puro tras CTST. La muestra de 7 h HEBM (MNA-7) mostró picos característicos de Fe₃O₄ con ensanchamiento de picos indicativo de tamaño nanocristalino (tamaño de cristalito promedio ≈ 9,8 nm). Imágenes HRTEM mostraron partículas irregulares promediando 11,2 nm. El aumento de FWHM con tiempo de molienda correlacionó con reducción de tamaño de cristalito.

Composición Morfológica y Microestructural

HRTEM reveló distribución de tamaño de partícula 10–22 nm, con partículas más pequeñas producidas en tiempos de molienda más cortos debido a menor aglomeración. FESEM-EDS confirmó relación Fe:O ≈ 3:1, consistente con magnetita.

Análisis de Propiedades Magnéticas

Datos VSM mostraron valores de magnetización de saturación 21–27 emu g⁻¹, remanencia 1,5–6,6 emu g⁻¹ y coercividad 200–270 G. MNA-7 poseía la Ms más alta (27 emu g⁻¹) y exhibió comportamiento superparamagnético, facilitando separación magnética.

Efecto de Parámetros de Adsorción

Entre tiempos de molienda, MNA-7 entregó la mayor capacidad de adsorción (4,41 mg g⁻¹) y eficiencia de eliminación (62,6 %). Esta superioridad se atribuye a su tamaño de partícula óptimo, área superficial y propiedades magnéticas.

Análisis de Área Superficial

Mediciones BET de MNA-7 produjeron área superficial específica de 5,98 m² g⁻¹ y volumen de poro de 0,011 cm³ g⁻¹. La isotermas N₂ mostró histéresis Tipo III, indicando interacciones adsorbato-adsorbente débiles típicas para Fe₃O₄ mesoporoso.

Análisis EDS

EDS pre-adsorción mostró Fe (78,3 %) y O (21,7 %). Espectros post-adsorción revelaron Cu adicional (≈ 1,5 %), confirmando captación de Cu²⁺.

Análisis FTIR

Bandas de estiramiento Fe-O a 525 y 576 cm⁻¹ persistieron tras adsorción, mientras nuevos picos alrededor de 500–600 cm⁻¹ y banda OH ensanchada a 3478 cm⁻¹ indicaron coordinación de Cu²⁺ a hidroxilos superficiales.

Análisis de Potencial Zeta

El punto isoeléctrico de MNA-7 fue pH 5,4. A pH > 5,4, la superficie se vuelve negativamente cargada, mejorando atracción electrostática a Cu²⁺ y explicando eliminación óptima a este pH.

Análisis de Adsorción por Lotes

Efecto del Tiempo de Contacto

El equilibrio se alcanzó dentro de 120 min; capacidad de adsorción aumentó rápidamente en los primeros 10 min y se mesetó después. La capacidad máxima de 4,41 mg g⁻¹ se logró a 120 min.

Efecto de Concentración Inicial

Concentraciones iniciales más altas de Cu²⁺ (10–50 mg L⁻¹) llevaron a capacidades de adsorción aumentadas, reflejando mayor fuerza impulsora y mayor ocupación de sitios activos.

Efecto de Dosificación de MNA

Capacidad de adsorción disminuyó con aumento de dosificación debido a aglomeración y reducción de área superficial específica por gramo, mientras eficiencia de eliminación pico a 0,05 g por 200 mL solución.

Efecto del pH

Eficiencia de eliminación aumentó de 10,7 % a pH 2 a 62,6 % en pH óptimo 5,4, luego declinó ligeramente a pH más altos debido a iones OH⁻ competidores.

Cinética de Adsorción de Cobre

El modelo de pseudo-segundo orden produjo R² = 0,999, indicando quimisorción involucrando intercambio de electrones entre Cu²⁺ y sitios superficiales de Fe₃O₄. Ajuste de pseudo-primer orden fue peor (R² ≈ 0,96).

Isotermas de Adsorción de Cobre

Tanto gráficos Freundlich como Temkin fueron lineales; sin embargo, la isotermas de Temkin proveyó mejor ajuste (R² = 0,91), sugiriendo calor de adsorción decreciente con cobertura e indicando interacción entre especies adsorbidas.

Estudio de Regeneración y Desorción

Tres ciclos de regeneración con HCl 0,1 M retuvieron 70,9 % de la capacidad original, con solo 10 % pérdida tras el tercer ciclo, demostrando buena reutilizabilidad.

Conclusiones

Molienda de bola de alta energía de residuos de escala de laminación produjo un nano-adsorbente de magnetita (MNA-7) con partículas de 11,2 nm, 5,98 m² g⁻¹ área superficial y fuerte respuesta magnética. Bajo condiciones óptimas (pH 5,4, 0,05 g L⁻¹, 120 min), eliminó 62,6 % de Cu²⁺ de soluciones acuosas, logrando capacidad de adsorción de 4,41 mg g⁻¹. Regeneración con HCl 0,1 M preservó 70,9 % de la capacidad tras tres ciclos. Estos resultados confirman que MNA-7 es un adsorbente de bajo costo, eficiente y reciclable para eliminación de cobre, y representa una ruta valiosa para valorización de residuos y tratamiento de agua.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados durante este estudio están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.