Micoesferas de carbono magnéticas de alto rendimiento para eliminación reutilizable de sulfonamidas del agua

Resumen

Se informa una síntesis hidrotérmica sencilla de microesferas de carbono magnéticas (MCM) usando glucosa y nanopartículas de Fe₃O₄. La calcinación a 600 °C durante 1 h produce un material con un área superficial BET excepcional de 1228 m²/g y un volumen de poro de 0,448 m³/g. Las MCM adsorben sulfonamida con una capacidad máxima de 24,6 mg g⁻¹ a pH 4,0, disminuyendo a 19,2 mg g⁻¹ a pH 10,0. La adsorción sigue una isoterma de Langmuir y cinética de pseudo-segundo orden, y el adsorbente retiene 18,31 mg g⁻¹ tras cuatro ciclos de regeneración, demostrando una reutilización robusta.

Introducción

La contaminación por antibióticos, especialmente sulfonamidas, representa una amenaza significativa para los ecosistemas acuáticos y la salud humana. Los adsorbentes de carbono tradicionales son difíciles de recuperar del agua, limitando su uso práctico. La incorporación de nanopartículas magnéticas en matrices de carbono crea compuestos de carbono magnético que pueden recuperarse fácilmente con un imán externo. Si bien estos materiales se han explorado para colorantes y fenoles, su aplicación a la eliminación de sulfonamidas permanece poco desarrollada.

Métodos

Reactivos y materiales

Todos los reactivos fueron de grado analítico. Se usó agua destilada en todo momento.

Síntesis de nanopartículas Fe₃O₄

FeCl₃·6H₂O (1,35 g) y NaAc·3H₂O (3,60 g) se disolvieron en 40 mL glicol etileno, se transfirieron a un autoclave de 100 mL revestido de Teflón y se calentaron a 200 °C durante 8 h. El producto se lavó con agua y etanol.

Preparación de MCM

0,1 g nanopartículas Fe₃O₄ se dispersaron en 60 mL agua con glucosa, se agitaron y se trataron hidrotérmicamente a 200 °C durante 11 h. Las microesferas resultantes se lavaron, impregnaron con 40 % ZnCl₂, secaron y calcinaron bajo N₂ a 600 °C durante 1 h.

Caracterización

Las MCM se examinaron por TEM, FE-SEM, VSM, análisis BET y medida de potencial zeta. Se aplicaron ecuaciones para capacidad de adsorción y modelos cinéticos como se describe en el estudio original.

Experimentos de adsorción

Soluciones de sulfonamida (50 mL) se mezclaron con MCM (1 g L⁻¹) y se agitaron a 300 K y 120 rpm. Tras el equilibrio, el adsorbente se separó magnéticamente y la concentración de sulfonamida se midió a 258 nm. La regeneración involucró desorción con NaOH (0,1 M), agitación ultrasónica y enjuague a pH 7.

Resultados y discusión

Microestructura

Imágenes TEM (Fig. 1) confirman núcleos Fe₃O₄ de ~200 nm recubiertos uniformemente con una capa de carbono, formando MCM esféricas.

Análisis espectroscópico

FT-IR muestra estiramiento característico Fe–O (~574 cm⁻¹) y bandas anchas –OH (~3462 cm⁻¹). XRD confirma la fase magnetita cúbica.

Área superficial y porosidad

El análisis BET (Fig. 3) revela un área superficial de 1228 m²/g y un volumen de poro de 0,448 m³/g para la muestra calcinada a 600 °C/1 h (MCM-d). La impregnación con ZnCl₂ y temperaturas de calcinación más altas son críticas para lograr esta alta porosidad.

Propiedades magnéticas

Datos VSM (Fig. 4) muestran una magnetización de saturación de 42,3 emu g⁻¹, suficiente para separación magnética eficiente manteniendo una respuesta superparamagnética.

Isoterma de adsorción

El ajuste de Langmuir produce una capacidad máxima Qm = 27,86 mg g⁻¹, indicando adsorción en monocapa. Los parámetros de Freundlich (KF = 3,06 L g⁻¹, 1/n = 0,476) confirman adsorción favorable. El modelo de Langmuir proporciona un R² mayor, sugiriendo una superficie homogénea.

Cinética de adsorción

La cinética de pseudo-segundo orden (R² = 0,999) supera a la de pseudo-primer orden, implicando que la quimisorción controla el proceso.

Efecto del pH

La adsorción disminuye de 24,22 a 12,48 mg g⁻¹ al subir el pH de 4 a 12, debido a cambios en el estado de protonación de la sulfonamida e inversión de carga superficial de las MCM.

Efecto de la temperatura y fuerza iónica

Temperaturas más altas y KCl añadido reducen la capacidad de adsorción, probablemente por competencia y desorción térmica.

Reutilización

Tras cuatro ciclos de regeneración, las MCM retienen 73,23 % eficiencia de eliminación (18,31 mg g⁻¹) y no muestran cambio morfológico (Fig. 7b). El adsorbente puede reutilizarse al menos cinco veces con pérdida de capacidad aceptable.

Conclusiones

Hemos desarrollado una microesfera de carbono magnética con área superficial sin precedentes (1228 m²/g) y volumen de poro (0,448 m³/g) que elimina eficazmente sulfonamidas del agua. El material sigue adsorción de Langmuir, cinética de pseudo-segundo orden, y puede regenerarse con NaOH, manteniendo alto rendimiento en múltiples ciclos. Estos hallazgos proporcionan una vía práctica para diseñar adsorbentes reciclables para contaminantes farmacéuticos.