Micropartículas huecas de polianilina logran eliminación de 127,9 mg/g Cr(VI) para tratamiento sostenible de aguas residuales

Resumen

Reportamos una síntesis escalable de micro/nanoesferas huecas de polianilina (PANI) mediante polimerización de monómero templada en medio alcalino usando micelas de Triton X-100. La nanoestructura resultante exhibe adsorción rápida y de alta capacidad de cromo hexavalente (Cr(VI)) en un amplio rango de pH, alcanzando una eliminación máxima de 127,88 mg g⁻¹ a pH 3. La regeneración ácida restaura el rendimiento del material, subrayando su reutilización práctica.

Antecedentes

El Cr(VI) es un contaminante cancerígeno liberado por cromado, curtido de cuero, acabado de metales y fabricación textil. Su alta movilidad y toxicidad representan riesgos graves para la salud, incluyendo insuficiencia renal y cáncer hepático. Los métodos de reducción convencionales usando sulfitos o sales férricas generan residuos no reciclables, impulsando la necesidad de adsorbentes novedosos y ecológicos. Los polímeros conductores, particularmente la polianilina (PANI), han atraído atención para la remediación de Cr(VI) debido a su síntesis fácil, bajo costo y rica funcionalidad amina que puede donar electrones para reducción. Sin embargo, el PANI a granel sufre de porosidad limitada, restringiendo su área superficial y eficiencia de adsorción. Las microesferas huecas de PANI, con sus cavidades internas, aumentan dramáticamente los sitios activos disponibles, mejorando la captura de Cr(VI). Los enfoques existentes de templado duro son laboriosos y comprometen la integridad estructural. Nuestro método de templado blando supera estos inconvenientes, entregando esferas huecas de alto rendimiento y reproducibles.

Métodos

Objetivo

Fabricar un nanomaterial de PANI hueco, escalable y reciclable capaz de eliminar Cr(VI) de efluentes industriales.

Materiales

Anilina, NaOH, Triton X-100 y persulfato de amonio (APS) se usaron tal como se recibieron.

Síntesis

En una corrida típica, 32 mmol anilina, 32 mmol NaOH y 0,82 mmol Triton X-100 se dispersaron en 20 mL agua desionizada bajo agitación magnética durante 20 min, enfriados en baño de hielo, luego se mezclaron con 32 mmol APS (pre-enfriado). La reacción procedió durante 12 h a 0 °C. El producto se lavó repetidamente con agua y etanol hasta que el filtrado fue claro, luego se secó a 60 °C durante 24 h.

Caracterización

Morfología: FESEM (Sirion 200) y TEM (JEOL-2010). Estructura: XRD (Philips X'Pert) y FTIR (JASCO FT-IR 410). Composición: ICP y UV-Vis para cuantificación de Cr; XPS (ESCALAB 250) para estados de oxidación. Tamaño y potencial zeta: Zetasizer 3000HS.

Prueba de eliminación de Cr(VI)

Se prepararon soluciones de dicromato de potasio (inicial 62,4 mg L⁻¹) y diluyeron a concentraciones deseadas. 10 mg PANI se dispersaron en 20 mL de solución Cr(VI) a pH especificado (ajustado con NaOH/HCl), agitaron 3 h, centrífugaron y el pH del sobrenadante se reajustó a 7,5–8,5. La capacidad de eliminación en equilibrio (q_e) se calculó por q_e=((c₀−c_e)V)/m.

Cinética

La eliminación se monitorizó a pH 3, 4, 5. En cada punto de tiempo, la solución se centifugó y c_e se midió por UV-Vis a 350 nm. Los datos se ajustaron a la ecuación de pseudo-segundo orden t/q_t=1/(k₂q_e²)+t/q_e.

Isoterma

La adsorción en equilibrio a varias concentraciones iniciales de Cr(VI) se analizó con el modelo de Langmuir: c_e/q_e=1/(q_mk_L)+c_e/q_m.

Resultados y discusión

Morfología

Las imágenes FESEM revelan esferas huecas uniformes (diámetro 0,5–2 µm) con cavidades centrales visibles (Figura 1a,b). TEM confirma la arquitectura hueca.

Estructura

Los espectros FTIR muestran bandas características a 1569 cm⁻¹ (C-N quinona), 1496 cm⁻¹ (C-N benzenoide) y 1142 cm⁻¹ (N-Q-N), indicando forma esmeraldina predominante. XRD muestra picos agudos a 20,2° y 25,4°, confirmando alta cristalinidad.

Cinética de eliminación de Cr(VI)

La decoloración rápida ocurre dentro de 90 min a pH 3. El modelo de pseudo-segundo orden ajusta los datos excelentemente (R²>0,998), produciendo valores q_e de 80,65, 37,48 y 21,56 mg g⁻¹ para pH 3, 4, 5 respectivamente.

Efecto del pH

La capacidad de eliminación aumenta bruscamente al disminuir el pH de 12 a 2, alcanzando 127,88 mg g⁻¹ a pH 3. Por debajo de pH 2, el Cr total aumenta debido a desorción de Cr(III), probablemente impulsado por repulsión electrostática. Por tanto, la eliminación óptima ocurre entre pH 2–4.

Análisis de isoterma

El ajuste de Langmuir (R²>0,998) produce capacidades máximas q_m de 127,88 mg g⁻¹ (pH 3), 43,20 mg g⁻¹ (pH 4) y 25,61 mg g⁻¹ (pH 5), confirmando adsorción en monocapa sobre superficie homogénea.

Mecanismo

El Cr(VI) se adsorbe primero electrostáticamente como HCrO₄⁻ sobre PANI esmeraldina protonado, luego se reduce a Cr(III) mientras PANI se oxida a pernigranilina. El Cr(III) permanece unido iónicamente a la superficie PANI. XPS muestra energía de enlace Cr 2p₃/₂ de 577,4 eV, característica de Cr(III). La morfología hueca proporciona amplia área superficial (BET 32,8 m² g⁻¹) y poros internos para transferencia de masa rápida.

Regeneración

La inmersión de esferas gastadas en HCl 1 M durante 30 min restaura el estado esmeraldina y recupera ~95 % de la capacidad original, demostrando reutilización robusta.

Comparación con la literatura

La Tabla 1 resume que nuestras esferas huecas de PANI superan a muchos adsorbentes reportados en capacidad y reciclabilidad.

Conclusiones

Hemos demostrado una síntesis facile, templada suavemente, de micro/nanoesferas huecas de PANI que logran 127,9 mg g⁻¹ eliminación de Cr(VI) a pH 3, con cinética rápida, comportamiento de adsorción en monocapa y regeneración simple basada en ácido. Estos atributos posicionan el material como una solución prometedora y sostenible para la remediación industrial de Cr(VI).

Abreviaturas

APS

Persulfato de amonio

B

Anillo benzenoide

EB

Esmeraldina

FESEM

Microscopio electrónico de barrido de emisión de campo

FTIR

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

ICP

Espectrómetro de emisión de plasma acoplado inductivamente

LB

Leucoesmeraldina

PANI

Polianilina

PB

Pernigranilina

Q

Anillo quinona

TEM

Microscopio electrónico de transmisión

XPS

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

XRD

Difracción de rayos X