Cross-Linked Chitosan-Nicotinic Acid Beads (CLC-NAB) - A novel adsorbent for the removal of mercury(II) ions from aqueous medium

Resumen Técnico: Perlas de Quitosano y Ácido Nicotínico Reticuladas (CLC-NAB) para la Eliminación de Mercurio (II)

Planteamiento del Problema
El mercurio (II) es un contaminante de metales pesados altamente tóxico que se origina tanto en fuentes naturales como en actividades antropogénicas, tales como la minería, la fabricación industrial y las centrales térmicas de carbón. Su presencia en los ecosistemas acuáticos plantea riesgos graves para la salud humana y la fauna, causando trastornos neurológicos y bioacumulación. Aunque existen diversas técnicas para la eliminación del mercurio, la adsorción es favorecida por su rentabilidad y simplicidad operativa. Sin embargo, muchos de los adsorbentes existentes dependen de productos químicos agresivos, equipos especializados o procedimientos de síntesis complejos. Este estudio aborda la necesidad de un adsorbente sostenible, ecológico y eficiente capaz de eliminar selectivamente los iones de mercurio (II) de soluciones acuosas.

Metodología
Los investigadores fabricaron un nuevo adsorbente, Perlas de Quitosano y Ácido Nicotínico Reticuladas (CLC-NAB), utilizando un método verde y sostenible. La síntesis consistió en disolver el quitosano en ácido acético glacial y dejar caer la solución en un medio de coagulación que contenía ácido nicotínico disuelto en hidróxido de sodio. Este proceso facilitó el reticulado mediante enlaces de hidrógeno y la formación de enlaces amida entre los grupos amino del quitosano y los grupos de ácido carboxílico del ácido nicotínico.

El material fue caracterizado mediante:

• Estudios de hinchamiento para evaluar el comportamiento en diferentes entornos de pH.
• Espectroscopía FTIR para confirmar el reticulado químico e identificar los grupos funcionales involucrados en la adsorción.
• SEM y EDS para analizar la morfología superficial y la composición elemental antes y después de la carga de mercurio.

Se realizaron experimentos de adsorción por lotes para evaluar la eliminación de Hg(II) bajo diversas condiciones, incluyendo el pH inicial (3–5), la dosis del adsorbente (10–150 perlas), el tiempo de contacto (5–1440 min), la concentración inicial de mercurio (10–200 mg/L) y la temperatura (298–318 K). El estudio también investigó la selectividad de CLC-NAB en presencia de iones interferentes (p. ej., Pb²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, NO₃⁻) y evaluó la eficiencia de la desorción utilizando NaCl 1 M y NaNO₃ 1 M. Se aplicaron modelos cinéticos, de isoterma y termodinámicos para interpretar el mecanismo de adsorción.

Resultados Clave

• Caracterización: El análisis FTIR confirmó la formación de enlaces amida y la participación de los anillos de piridina en el reticulado. Las imágenes SEM revelaron que la superficie rugosa y accidentada de las perlas se volvió lisa y plana tras la adsorción de mercurio, lo que indica la ocupación de los poros. El EDS confirmó la presencia de mercurio en las perlas cargadas.
• Condiciones Óptimas: Se logró la máxima eficiencia de adsorción (93% de eliminación) a un pH de 5. Se alcanzó la eliminación completa (100%) de Hg(II) utilizando 150 perlas a un pH de 5. El tiempo de equilibrio se alcanzó dentro de las 7 horas.
• Capacidad de Adsorción: La capacidad máxima de adsorción en monocapa ($Q_m$) calculada mediante el modelo de Langmuir fue de 1060.2 mg/g. Los datos experimentales se ajustaron mejor al modelo de isoterma de Redlich-Peterson, lo que sugiere una superficie heterogénea con características de los modelos de Langmuir y Freundlich.
• Cinética y Mecanismo: Los estudios cinéticos indicaron que el proceso de adsorción se describe mejor mediante una combinación del modelo de pseudo-segundo orden y el modelo de difusión intraparticular. Esto sugiere que la etapa limitante de la velocidad implica quimisorción (enlace químico) junto con la difusión hacia los poros de la partícula.
• Termodinámica: Se encontró que el proceso es espontáneo ( $\Delta G^\circ$ negativo) y endotérmico ( $\Delta H^\circ$ positivo), con una eficiencia de adsorción que aumenta a temperaturas más altas (hasta 318 K).
• Selectividad y Desorción: CLC-NAB demostró una alta selectividad por el Hg(II) incluso en presencia de cationes y aniones competidores. El adsorbente pudo regenerarse completamente utilizando NaCl 1 M o NaNO₃ 1 M como agentes desorbentes, debido a la compresión de la doble capa eléctrica y la formación de complejos de mercurio solubles.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que el CLC-NAB representa un avance significativo en la remediación del mercurio debido a su alta capacidad de adsorción (1060.2 mg/g), la cual es relativamente alta en comparación con otros derivados de quitosano reportados en la literatura. El estudio enfatiza que el método de síntesis es respetuoso con el medio ambiente, rentable y sencillo, evitando los productos químicos agresivos y el equipo especializado que a menudo requieren otros materiales de quitosano reticulados.

El artículo concluye que el reticulado del quitosano con ácido nicotínico mejora con éxito la estabilidad mecánica y el rendimiento de adsorción del material. Al utilizar la estabilidad del pH fisiológico y lograr una desorción completa, los autores postulan que el CLC-NAB es un adsorbente prometedor y sostenible para la eliminación selectiva de iones de mercurio (II) tóxicos de medios acuosos. El trabajo destaca el potencial de los hidrogeles de origen biológico para abordar eficazmente la contaminación por metales pesados sin comprometer la seguridad ecológica.