Oyster shell-derived adsorbent for simultaneous Pb²⁺ and Hg²⁺ removal: a thermochemical modification approach

Resumen Técnico: Adsorbente derivado de conchas de ostra para la eliminación simultánea de Pb²⁺ y Hg²⁺

Planteamiento del problema
La contaminación por metales pesados, específicamente por plomo (Pb²⁺) y mercurio (Hg²⁺), plantea riesgos graves para los ecosistemas acuáticos y la salud humana debido a su persistencia, bioacumulación y toxicidad. Aunque existen métodos de remediación convencionales como la precipitación química y la filtración por membrana, estos suelen sufrir de altos costos operativos, generación de lodos y una eliminación incompleta. Si bien la biosorción utilizando materiales derivados de desechos ofrece una alternativa sostenible, la mayor parte de la investigación existente se centra en la eliminación de iones metálicos individuales. Las aguas residuales del mundo real a menudo contienen múltiples especies metálicas en competencia, pero existe un conocimiento limitado sobre cómo se comportan las conchas de ostra modificadas en sistemas de doble ion simultáneos, particularmente con respecto a la adsorción competitiva de Pb²⁺ y Hg²⁺.

Metodología
El estudio desarrolló un biosorbente termoquímicamente modificado (CMOS) derivado de conchas de ostra, un subproducto de la acuicultura rico en calcio. La preparación consistió en un proceso de dos pasos:

1. Activación Térmica: Las conchas de ostra crudas fueron calcinadas a 500 °C durante 2 horas para inducir la descomposición parcial del carbonato de calcio.
2. Modificación Química: Las conchas calcinadas fueron tratadas con ácido fosfórico 0.5 M a 65 °C durante 2 horas para inducir una fosfatización parcial, formando una estructura híbrida de fosfato de calcio-carbonato.

El material resultante fue caracterizado mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos X (XRD), Espectroscopía de Transformada de Fourier por Infrarrojo (FTIR) y análisis BET para evaluar la morfología, la cristalinidad, los grupos funcionales y la porosidad. Se realizaron experimentos de adsorción por lotes para evaluar los efectos del tiempo de contacto, la concentración inicial del metal y la interferencia de co-iones tanto en sistemas de un solo ion como en sistemas binarios (Pb²⁺/Hg²⁺). Se aplicaron modelos cinéticos e isotérmicos para dilucidar los mecanismos de adsorción, y se realizaron pruebas de regeneración utilizando HCl 0.1 M durante siete ciclos.

Contribuciones Clave y Resultados

• Caracterización del Material:

  • Morfología y Estructura: El análisis SEM reveló que la modificación química transformó la superficie de la concha de partículas compactas en forma de placa a una estructura con cristales en forma de aguja y escama, lo que indica la formación de fases de fosfato de calcio.
  • Cristalinidad: El XRD confirmó que, mientras las conchas originales consistían en calcita (CaCO₃), el CMOS contenía nuevos picos correspondientes a la brusita [CaPO₃(OH)·2H₂O], junto con calcita residual.
  • Química de Superficie: Los espectros FTIR mostraron la introducción de grupos fosfato (PO₄³⁻) y la retención de grupos carbonato e hidroxilo, que sirven como sitios activos de unión.
  • Porosidad: El análisis BET demostró que el CMOS poseía un área superficial específica (40.51 m²/g) y un volumen de poro significativamente mayores en comparación con las conchas crudas (22.15 m²/g) y las tratadas térmicamente (17.09 m²/g), con una estructura mesoporosa bien desarrollada.

• Cinética de Adsorción e Isotermas:

  • Cinética: Tanto la adsorción de Pb²⁺ como la de Hg²⁺ siguieron el modelo de pseudo-segundo orden (R² > 0.99), lo que indica que la quimisorción es el paso limitante de la velocidad.
  • Isotermas:
    • Pb²⁺: Los datos de adsorción se ajustaron mejor al modelo de Langmuir (R² = 0.9948), lo que sugiere una adsorción monocapa en una superficie homogénea con una capacidad máxima ($q_{max}$) de 165.56 mg·g⁻¹.
    • Hg²⁺: Los datos de adsorción se ajustaron mejor al modelo de Freundlich (R² = 0.9980), lo que sugiere una adsorción multicapa en sitios heterogéneos. La $q_{max}$ para Hg²⁺ fue de 30.86 mg·g⁻¹.

• Eliminación Simultánea y Selectividad:

  • En sistemas binarios, el CMOS exhibió una fuerte selectividad hacia el Pb²⁺. A una concentración inicial de 30 mg/L, la eliminación de Pb²⁺ se mantuvo alta (>99%), incluso en presencia de Hg²⁺.
  • La eliminación de Hg²⁺ se vio ligeramente más afectada por la competencia, disminuyendo de ~93% a ~89% en el sistema binario, pero manteniendo eficiencias de eliminación superiores al 80% en todas las concentraciones probadas.
  • El material demostró una afinidad superior por el Pb²⁺ en comparación con el Hg²⁺, probablemente debido a las diferencias en el radio iónico y las preferencias de unión con los grupos funcionales de la superficie.

• Regeneración:

  • Los estudios de desorción utilizando HCl 0.1 M mostraron que el CMOS retuvo más del 90% de su eficiencia de adsorción de Pb²⁺ y más del 80% de su eficiencia de Hg²⁺ después de cinco ciclos de adsorción-desorción, confirmando su capacidad de reutilización.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la concha de ostra termoquímicamente modificada (CMOS) es un biosorbente rentable, sostenible y reutilizable para la remediación de metales pesados. El estudio destaca la excepcional capacidad del material para la eliminación de Pb²⁺, la cual supera a muchos adsorbentes reportados en la literatura, manteniendo al mismo tiempo una eliminación simultánea efectiva de Hg²⁺. Al valorizar los desechos de conchas de ostra mediante una simple modificación termoquímica, este enfoque se alinea con los principios de la economía circular. La investigación proporciona una solución viable para escenarios de tratamiento de aguas residuales dominados por la contaminación por plomo o que requieren la co-eliminación de plomo y mercurio, aprovechando la alta área superficial, la estructura cristalina modificada y la interacción reversible con los grupos fosfato, carbonato e hidroxilo.