Synthesis of mesoporous SiO 2 derived from coal fly ash for methylene blue adsorption

Resumen Técnico: Síntesis de SiO₂ mesoporoso derivado de cenizas volantes de carbón para la adsorción de azul de metileno

Planteamiento del problema
Las cenizas volantes de carbón (CFA, por sus siglas en inglés), un subproducto sólido de las centrales térmicas, se generan en vastas cantidades en China, donde el carbón sigue siendo la fuente de energía dominante. Mientras que las aplicaciones tradicionales para las CFA (por ejemplo, rellenos de construcción) ofrecen una utilización de bajo valor añadido, el material contiene abundante sílice (SiO₂) y alúmina (Al₂O₃), lo que presenta una oportunidad para la recuperación de recursos de alto valor. Específicamente, el alto contenido de sílice en las CFA sugiere el potencial para sintetizar materiales porosos útiles en el tratamiento de aguas residuales y la catálisis. Sin embargo, convertir las CFA puras en sílice mesoporosa de alto rendimiento con estructuras de poros adaptadas sigue siendo un desafío. Este estudio aborda la necesidad de una vía de bajo costo y sostenible para reciclar las CFA en adsorbentes funcionales para la eliminación de colorantes catiónicos, específicamente el azul de metileno (MB), de soluciones acuosas.

Metodología
La investigación empleó una estrategia de síntesis de múltiples pasos para convertir las CFA en sílice mesoporosa:

1. Preparación del precursor: Las CFA puras se sometieron a un tratamiento de separación de fases y lixiviación ácida (detallado en el trabajo previo de los autores) para producir un polvo rico en sílice de alta pureza (>98%).
2. Síntesis hidrotérmica: El polvo rico en sílice se utilizó como fuente de silicio en un proceso hidrotérmico. La síntesis consistió en disolver bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) e hidróxido de sodio (NaOH) en agua desionizada, añadir el polvo de sílice y someter la mezcla a un tratamiento hidrotérmico.
3. Eliminación de la plantilla: Se introdujo acetato de etilo para regular la velocidad de acidificación y la estructura de los poros. El precursor resultante se calcinó a 550 °C durante 5 horas para eliminar la plantilla de CTAB, obteniendo el adsorbente de sílice mesoporosa final.
4. Optimización: Se realizaron experimentos de un solo factor para optimizar los parámetros de síntesis, incluyendo la relación molar Si/CTAB/NaOH, la dosis de acetato de etilo, la temperatura de cristalización y el tiempo de cristalización.
5. Caracterización y pruebas: Los materiales sintetizados se caracterizaron mediante adsorción-desorción de N₂ (BET/BJH), SEM, TEM, XRD y FTIR. El rendimiento de adsorción se evaluó utilizando azul de metileno como contaminante modelo, investigando los efectos del pH, la temperatura, la concentración inicial y la dosis del adsorbente. Los isotermas de adsorción, la cinética y la termodinámica se analizaron mediante los modelos de Langmuir/Freundlich, los modelos cinéticos de pseudo-primer orden/segundo orden/Elovich y las ecuaciones termodinámicas.

Contribuciones clave

• Estrategia de "residuo para tratar residuo": El estudio demuestra una vía viable para el reciclaje de valor (upcycling) de residuos industriales (CFA) para convertirlos en un material capaz de tratar aguas residuales (eliminación de MB), alineándose con los principios de la economía circular.
• Protocolo de síntesis optimizado: Los autores identificaron las condiciones óptimas específicas para la síntesis de sílice mesoporosa a partir de sílice derivada de CFA: una relación molar de Si/CTAB/NaOH de 1:0.65:0.6, una temperatura de cristalización de 80 °C y un tiempo de cristalización de 1.5 h. Aunque se investigó la dosis de acetato de etilo (donde 3 mL produjo la mayor área superficial en esa prueba de variable específica), el material óptimo final que alcanzó el pico de área superficial específica de 774.42 m²·g⁻¹ se sintetizó bajo las condiciones optimizadas de temperatura y tiempo.
• Análisis mecanístico exhaustivo: El trabajo proporciona un análisis detallado del mecanismo de adsorción, confirmando que el proceso está gobernado por la adsorción monocapa en una superficie homogénea (modelo de Langmuir) y sigue una cinética de pseudo-segundo orden, lo que indica una quimisorción que involucra sitios activos.

Resultados

• Propiedades del material: Bajo las condiciones de síntesis óptimas, la sílice mesoporosa resultante exhibió un área superficial específica de 774.42 m²·g⁻¹, un tamaño de poro promedio de 7.27 nm y un volumen de poro de 1.41 cm³·g⁻¹. El material poseía una morfología esférica (0.5–2 μm) con una estructura porosa similar a un panal y era predominantemente amorfo.
• Rendimiento de adsorción:
  • Efecto del pH: La capacidad de adsorción aumentó significativamente con el pH, alcanzando un máximo en pH 11. Esto se atribuye a la desprotonación de los grupos silanol superficiales (Si-OH) a Si-O⁻, lo que mejora la atracción electrostática hacia el colorante catiónico MB.
  • Temperatura: La adsorción fue exotérmica; la capacidad disminuyó a medida que la temperatura aumentó de 298.15 K a 328.15 K.
  • Capacidad: A pH 11, 298.15 K, una concentración inicial de MB de 200 mg·L⁻¹ y una dosis de adsorbente de 1 g·L⁻¹, el material logró una capacidad de adsorción de 186.81 mg·g⁻¹ y una eficiencia de eliminación del 98.84%.
  • Comparación: En comparación con el polvo rico en sílice previo a la síntesis mesoporosa (364.21 m²·g⁻¹), el material modificado mostró un aumento del doble en el área superficial y un aumento de seis veces en el volumen de poro, lo que resultó en un rendimiento de adsorción significativamente mejorado.
• Termodinámica: Los valores negativos de la energía libre de Gibbs (ΔG) confirmaron la espontaneidad del proceso de adsorción. Los valores negativos de entalpía (ΔH) indicaron una reacción exotérmica, mientras que los valores negativos de entropía (ΔS) sugirieron una disminución del desorden en la interfaz sólido-líquido. La magnitud de ΔH (>20 kJ·mol⁻¹) sugirió la participación tanto de la adsorción física como de la química.

Significancia
El artículo afirma que este estudio proporciona una vía potencial para la utilización de recursos de las cenizas volantes de carbón, transformando un subproducto industrial de bajo valor en un adsorbente de alto rendimiento. El trabajo destaca la estrategia de "residuo para tratar residuo", donde las CFA son recicladas para tratar aguas residuales con presencia de colorantes. La sílice (SiO₂) mesoporosa sintetizada demuestra una excelente capacidad para la eliminación de colorantes catiónicos, ofreciendo una alternativa sostenible y rentable a los adsorbentes basados en sílice convencionales para aplicaciones de remediación ambiental.