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Modification of H3PO4-activated Pomelo Peel Biochar with Cetyltrimethylammonium Bromide for Methyl Orange Removal: Adsorption Performance and Mechanism

Este estudio demuestra que la modificación del biochar de cáscara de pomelo activado con H3PO4 con un 2 % en peso de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) aumenta significativamente su área superficial específica y crea una superficie con carga positiva, resultando en un adsorbente altamente eficaz (CTAB2@A-PBC) capaz de eliminar el metilo naranja con una capacidad máxima de 534,23 mg/g a través de mecanismos que incluyen la atracción electrostática, el llenado de poros, las interacciones π-π y los enlaces de hidrógeno.

Autores originales: Mai Lien Tran

Publicado 2026-07-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Mai Lien Tran

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tienes una piscina muy sucia llena de tinte naranja brillante. Quieres limpiarla, pero el tinte es persistente y no se va simplemente con el agua. Este artículo trata sobre la construcción de una "esponja" súper eficiente para succionar ese tinte naranja del agua, utilizando algo que normalmente tirarías: la cáscara de un pomelo.

Aquí está la historia de cómo los investigadores convirtieron las cáscaras de pomelo en una herramienta de limpieza de alta tecnología, explicada de forma sencilla:

1. La materia prima: La cáscara de pomelo

Los investigadores comenzaron con cáscaras de pomelo (la piel gruesa de un cítrico grande). Por lo general, esto es solo un residuo. Lo convirtieron en biochar, que es básicamente un polvo negro, ligero y similar al carbón, hecho al quemar la cáscara de una manera especial. Piensa en esto como convertir la piel de una fruta en una esponja rugosa y porosa.

2. El problema: La esponja era demasiado selectiva

En un estudio previo, los autores descubrieron que este carbón de pomelo simple era excelente para atrapar cosas positivas (como un imán recogiendo limaduras de hierro). Sin embargo, el tinte naranja que querían eliminar (Naranja de Metilo) tiene una carga negativa.

La analogía: Imagina intentar pegar un imán negativo a otro imán negativo. Se repelen entre sí. El carbón simple estaba alejando al tinte naranja, por lo que no podía limpiar el agua bien.

3. La solución: El revestimiento de "Velcro"

Para solucionar esto, los investigadores sumergieron el carbón en una solución de un químico llamado CTAB.

La analogía: Piensa en el CTAB como un revestimiento especial de "Velcro". Los investigadores recubrieron el carbón con este químico, que actúa como una capa de imanes positivos.
El resultado: Ahora, en lugar de alejar al tinte naranja, el carbón recubierto ama atraparlo. El tinte negativo se adhiere fuertemente al revestimiento positivo.

4. Haciendo la esponja más grande y mejor

Los investigadores no solo recubrieron el carbón; también encontraron una cantidad "Goldilocks" (el punto ideal) de revestimiento.

Probaron diferentes cantidades de CTAB.
El número mágico: Cuando usaron una cantidad específica (2% del peso), el carbón se transformó.
La transformación: El área superficial del carbón explotó. Pasó de tener un área superficial de aproximadamente 1,200 metros cuadrados por gramo a más de 2,150 metros cuadrados por gramo.
La analogía: Imagina tomar un ladrillo estándar y desplegarlo mágicamente hasta que fuera tan grande como un campo de fútbol, pero que siguiera pesando lo mismo. Esto le dio al tinte millones de diminutos huecos y grietas donde esconderse.

5. ¿Qué tan bien funcionó?

Probaron esta nueva "super-esponja" en un laboratorio.

La velocidad: Atrapó el tinte muy rápidamente.
La capacidad: Podía contener una cantidad masiva de tinte. Por cada gramo de este carbón, podía atrapar 534 miligramos de tinte naranja.
La comparación: Cuando compararon su esponja con otras esponjas hechas por otros científicos (usando cosas como bambú, madera o materiales magnéticos), su esponja de cáscara de pomelo fue una de las mejores en retener el tinte.

6. ¿Cómo es que realmente atrapa el tinte?

Los investigadores observaron a nivel microscópico para ver cómo se adhería el tinte. No fue solo una cosa; fue un esfuerzo de equipo de cuatro métodos de "agarre" diferentes:

Electricidad estática: El revestimiento positivo en el carbón agarró el tinte negativo (como un globo pegándose al cabello).
Llenado de poros: Las moléculas de tinte eran lo suficientemente pequeñas como para entrar en los diminutos agujeros del carbón y quedarse atrapadas allí.
Apretones de manos moleculares: Las estructuras químicas del carbón y del tinte coincidían como piezas de un rompecabezas (llamado interacción $\pi$ - $\pi$ ).
Enlaces de hidrógeno: Pequeños puntos de "pegamento" químico se formaron entre el carbón y el tinte.

7. La conclusión fundamental

El artículo concluye que, al tomar un residuo común de fruta (cáscara de pomelo), tratarlo con ácido y luego recubrirlo con un químico específico (CTAB), crearon una herramienta altamente efectiva para limpiar el tinte naranja del agua.

Lo que hizo: Convirtió una superficie negativa en una positiva para atraer el tinte.
Lo que logró: Creó una esponja con una enorme superficie que puede contener mucho tinte de manera muy eficiente.
Lo que no afirmó: El artículo se centra enteramente en la creación y prueba de laboratorio de este material. No afirma haber limpiado un río real todavía, ni discute el uso de esto para fines médicos u otras aplicaciones futuras más allá de lo probado en el laboratorio.

En resumen: Convirtieron basura (cáscaras de pomelo) en un tesoro (una super-esponja) que ama comerse el tinte naranja.

Resumen Técnico: Modificación de Biochar de Cáscara de Pomelo Activado con H3PO4 con CTAB para la Eliminación de Metilo Naranja

Planteamiento del Problema
Los colorantes orgánicos, particularmente los colorantes azoicos como el Metilo Naranja (MO), representan una clase significativa de contaminantes del agua debido a su estabilidad, resistencia a la biodegradación y potencial carcinogenicidad. Si bien existen varios métodos de tratamiento, la adsorción sigue siendo una técnica preferida debido a su rentabilidad y simplicidad. Sin embargo, los biochars tradicionales suelen sufrir de áreas superficiales específicas bajas y sitios activos limitados, lo que reduce su eficiencia. Además, los biochars prístinos derivados de desechos agrícolas poseen frecuentemente superficies cargadas negativamente, lo que crea repulsión electrostática contra colorantes aniónicos como el MO, limitando así la capacidad de adsorción. Este estudio aborda la necesidad de mejorar las propiedades fisicoquímicas del biochar de cáscara de pomelo para mejorar su eficacia en la eliminación de colorantes aniónicos.

Metodología
El estudio utilizó biochar de cáscara de pomelo previamente activado con ácido fosfórico (A-PBC) como material base. Este biochar fue modificado utilizando el surfactante catiónico bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) en diversas relaciones de masa (0.05, 0.1 y 0.25 g/L), resultando en adsorbentes designados como CTAB1@A-PBC, CTAB2@A-PBC y CTAB5@A-PBC.

La investigación empleó un conjunto integral de caracterización:

Análisis Estructural y Morfológico: Se utilizaron difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para evaluar la cristalinidad, los grupos funcionales y la morfología superficial.
Propiedades Texturales: El análisis de Brunauer–Emmett–Teller (BET) determinó el área superficial específica, el volumen de poro y la distribución del tamaño de poro.
Carga Superficial: El punto de carga cero ( $pH_{pzc}$ ) se determinó mediante el método de adición de sal.

Los experimentos de adsorción se llevaron a cabo en modo por lotes (batch) para evaluar la eficiencia de eliminación de MO. Las variables clave incluyeron el tipo de biochar, el pH de la solución y el tiempo de contacto. El estudio utilizó los modelos de isoterma de Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich (DR) y Sips para describir los datos de equilibrio. El comportamiento cinético se analizó mediante los modelos de pseudo-primer orden (PFO), pseudo-segundo orden (PSO) y de difusión intrapartícula.

Resultos Clave

Modificaciones Fisicoquímicas: La modificación con CTAB alteró significamente las propiedades del biochar. El área superficial específica aumentó de 1192.18 m²/g (A-PBC) a un máximo de 2150.61 m²/g para la muestra modificada con 2 % en peso de CTAB (CTAB2@A-PBC). El volumen de poro también aumentó de 1.998 cm³/g a 3.303 cm³/g. El análisis XRD indicó una reducción en la cristalinidad, sugiriendo que el CTAB redujo la agregación de la estructura del biochar. El FTIR confirmó la presencia de CTAB a través de nuevas vibraciones de enlaces C-N y la modificación de los grupos carboxilo.
Inversión de la Carga Superficial: El $pH_{pzc}$ del biochar modificado (CTAB2@A-PBC) se determinó en 6.49. Este cambio es crítico, ya que permite que la superficie posea una carga positiva en valores de pH inferiores a 6.49, facilitando la atracción electrostática con los grupos sulfónicos negativos del MO.
Desempeño de Adsorción: El adsorbente CTAB2@A-PBC demostró la mayor eficiencia de eliminación (70.38%) en comparación con otras concentraciones de CTAB y el A-PBC no modificado (55.26%). La eficiencia de eliminación fue altamente dependiente del pH, observándose un desempeño óptimo en pH 4.01–6.14, donde la superficie del adsorbente tiene carga positiva.
Modelado de Isotermas y Cinética:
- Isotermas: El modelo de Langmuir proporcionó el mejor ajuste ( $R^2 > 0.99$ ), indicando una adsorción monocapa en una superficie homogénea. La capacidad máxima de adsorción ( $q_{max}$ ) calculada fue de 534.23 mg/g a 30 °C. El modelo de Temkin también mostró un ajuste fuerte, sugiriendo que las interacciones electrostáticas son significativas.
- Cinética: El modelo cinético de Elovich ( $R^2 = 0.9982$ ) describió mejor el proceso de adsorción que los modelos PFO o PSO, sugiriendo que la quimisorción que involucra heterogeneidad energética domina el proceso. El modelado de difusión intrapartícula indicó que, si bien ocurre la difusión en los poros, el proceso no está controlado únicamente por ella; el intercepto no nulo sugiere que la difusión externa también limita la velocidad de adsorción.
Mecanismo: El estudio propone un proceso de adsorción de múltiples mecanismos que involucra:
1. Atracción Electrostática: Entre la superficie del biochar cargada positivamente (a pH < 6.49) y el MO aniónico.
2. Interacción $\pi$ - $\pi$ : Entre las estructuras tipo grafeno del biochar y los anillos aromáticos del MO.
3. Llenado de Poros: Posibilitado por el aumento del volumen de poros y la distribución adecuada del tamaño de poro.
4. Puentes de Hidrógeno: Entre los grupos hidroxilo superficiales y los átomos de nitrógeno/oxígeno de la molécula de MO.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la modificación del biochar de cáscara de pomelo activado con H3PO4 con CTAB es una estrategia eficaz para transformar un derivado de desecho agrícola de bajo costo en un adsorbente de alto rendimiento para colorantes aniónicos. El estudio destaca que la modificación con CTAB no solo invierte la carga superficial para atraer contaminantes aniónicos, sino que también casi duplica el área superficial específica y aumenta significativamente el volumen de poros.

Con una capacidad de adsorción de 534.23 mg/g, el adsorbente CTAB2@A-PBC compite competitivamente contra otros biochars modificados reportados en la literatura reciente (por ejemplo, biochar funcionalizado con quitosano magnético de 644.0 mg/g, biochar dopado con N de 449 mg/g). Los autores afirman que la simplicidad del método de preparación, combinada con la alta eficiencia y la mejora dual de la superficie y la carga superficial, hace de este biochar modificado un candidato prometedor para el tratamiento práctico de contaminantes de colorantes aniónicos en aguas residuales. La investigación concluye que tales modificaciones pueden ampliar la aplicabilidad del biochar más allá de los contaminantes catiónicos para atacar eficazmente contaminantes orgánicos con carga negativa.