Síntesis verde de nanopartículas de MnO₂ en membrana de cáscara de huevo para descontaminación rápida de tetraciclina

Resumen

Aprovechando las proteínas reticuladas abundantes y los grupos funcionales reductores en la membrana de cáscara de huevo (MCH), hemos desarrollado una ruta verde en un solo paso para sintetizar nanopartículas de dióxido de manganeso (MnO₂) a partir de permanganato de potasio. En este proceso, la MCH actúa simultáneamente como plantilla y reductor, eliminando condiciones severas, post-tratamientos complejos y la necesidad de centrifugación o filtración. El compuesto resultante MnO₂ NPs/MCH exhibe una cobertura uniforme de nanopartículas y una carga de 2,88 % MnO₂. Aplicado a la descontaminación de clorhidrato de tetraciclina (TCH), elimina el 72,27 % de 50 mg L⁻¹ TCH en 20 min, alcanzando una eficiencia de remoción del 83,10 % tras 60 min en condiciones tampón (pH 3,0). El análisis cinético confirma una vía de degradación pseudo-segundo orden, subrayando el potencial práctico de este nanomaterial para la remediación de aguas residuales.

Antecedentes

Los productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCP), especialmente antibióticos como las tetraciclinas, persisten en ambientes acuáticos, planteando riesgos ecológicos y para la salud. Los métodos de tratamiento convencionales luchan por degradar completamente estos compuestos. Las nanopartículas de MnO₂ han surgido como oxidantes prometedores debido a su alta área superficial, estructura ajustable y naturaleza ecológica. Sin embargo, los procesos típicos de descontaminación basados en MnO₂ requieren pasos de separación complejos, limitando la escalabilidad.

La membrana de cáscara de huevo, un subproducto rico en proteínas, ofrece sitios de unión únicos para iones metálicos y se ha empleado exitosamente como bioplantilla para nanopartículas de metales nobles y óxidos metálicos. Su red fibrosa y abundantes grupos –OH, –NH₂ y –SH proporcionan tanto un andamiaje como un entorno reductor.

Materiales y Métodos

Reactivos y Aparatos

Todos los químicos fueron de grado analítico. Agua desionizada (18,2 MΩ cm⁻¹) se usó en todo momento. La MCH se extrajo de cáscaras de huevo frescas, se lavó y secó a temperatura ambiente. Permanganato de potasio (KMnO₄, 1 mmol L⁻¹) sirvió como fuente de Mn.

Síntesis de MnO₂ NPs/MCH

Rodajas de MCH de 5 mg se sumergieron en 20 mL de solución de KMnO₄ y se agitaron a temperatura ambiente durante 35 min. El cambio de color de púrpura a marrón claro, junto con un aumento gradual del pH, confirmó la formación de MnO₂. Tras enjuagar con agua, las membranas se secaron y almacenaron para uso posterior.

Procedimiento de descontaminación de TCH

En una solución de 15 mL de 50 mg L⁻¹ TCH (PBS, pH 3,0), se añadieron 20 rodajas de MCH y se agitaron durante 60 min. Los espectros UV-vis se registraron a 358 nm para cuantificar TCH residual. La eficiencia de remoción se calculó como R = (1 – C/C₀) × 100 %.

Resultados y Discusión

Caracterización de MnO₂ NPs/MCH

Imágenes SEM revelan una red fibrosa multicapa recubierta uniformemente con nanopartículas esféricas de ~5 nm. TEM confirma el tamaño de partícula y un espaciamiento de red de 2,5 Å, coincidente con el plano (400) de α-MnO₂. XPS muestra estado de oxidación Mn²⁺ con picos característicos Mn 2p y O 1s. El análisis termogravimétrico indica una carga de 2,88 % MnO₂. La fácil recuperación del compuesto mediante simple remoción de la membrana destaca su ventaja operativa.

Rendimiento de descontaminación de TCH

En condiciones tampón (pH 3,0), el compuesto logró 72,27 % de remoción en 20 min y 83,10 % tras 60 min. Sin tampón, la remoción fue 78,37 % a 60 min, con una tasa inicial más rápida pero progreso general más lento debido al aumento de pH durante la degradación. El proceso sigue un modelo cinético pseudo-segundo orden, indicando degradación oxidativa mediada por superficie.

Comparación con MnO₂ comercial

Comparado con polvo comercial de MnO₂, MnO₂ NPs/MCH ofreció 15-20 % mayor eficiencia de remoción en condiciones idénticas, evitando la necesidad de centrifugación o filtración.

Conclusiones

Demostramos una síntesis verde y fácil de nanopartículas de MnO₂ en membrana de cáscara de huevo que logra descontaminación eficiente de tetraciclina con recuperación rápida y sencilla. Este enfoque ofrece una solución escalable y de bajo costo para la remoción de PPCP de aguas residuales.