Introducción
Las arcillas tipo montmorillonita (Mt) son materiales laminares denominados filosilicatos pertenecientes a la familia de las esmectitas debido a su composición principalmente de silicio y oxígeno, estas están formadas por estructuras laminares de silicatos con dos hojas de tetraedros conteniendo una octaedral (TOT), (Wu, 2015; Ahn, 2016; Cottet, 2014), tienen gran abundancia en yacimientos naturales y poseen gran importancia en la industria cerámica, de pintura y de la construcción. (Chalasani, 2013; Sanabria, 2008). Adicionalmente nuevas aplicaciones muy significativas están siendo buscadas para este material (Jo, 2016; Mariño-Repizo, 2015; Carriazo, 2008), como en el área de la química analítica, como material adsorbente en la técnica de micro-extracción por membrana hueca empacada.
También se pudo probar el material en el proceso de blanqueamiento de aceites comestibles de palma, para la remoción de agentes coloreados que no le dan buen aspecto al aceite y por tanto es rechazado a nivel comercial. Dicho proceso también mejora propiedades como el color, olor y sabor en el aceite procesado.
Materiales y métodos
La arcilla tipo bentonita natural proveniente del depósito del Líbano-Tolima fue provista por la compañía Bentominercol S.A.S. (Tolima). El aceite crudo de palma usado en este estudio fue comprado directamente en una planta palmicultora en la región de Tumaco (Nariño). Todos los reactivos químicos usados fueron de grado analítico.
Estos materiales poseen en sus planos interlaminares cationes metálicos que compensan la carga parcialmente negativa que tienen los grupos silicato, estos cationes pueden ser intercambiados por cationes más compatibles como los líquidos iónicos, (Aftafa, 2014; Ahn, 2016; Mariño-Repizo, 2015), y de esta manera funcionalizar dicho material, que presenta características que lo hacen muy atractivo debido a su bajo costo y bajo impacto ambiental convirtiéndose en un eco-sorbente de características muy particulares (Takahashi, 2012; Wu, 2014; Reinert, 2012; Selvam, 2012).
Pretratamiento de la arcilla bentonita
Todas las muestras de arcilla tipo bentonita fueron secadas a 105 ° C por cuatro horas en un horno de secado y luego fueron molidas usando un mortero de porcelana para pasar a través de un tamiz de malla 50. Estas muestras fueron preparadas para el análisis químico, pruebas fisicoquímicas, caracterización y activación ácida.
El material modificado o adsorbente puede ser utilizado para la retención de agentes altamente contaminantes de aguas residuales industriales, por ejemplo, aquellas provenientes de la industria textil. (Mariño-Repizo, 2015; Montaño, 2017; Aftafa, 2014; Li, 2014; Kim, 2013; Mahmoudian, 2012; Shirini, 2015; Kim, 2012; Ranu, 2005).
Análisis de la arcilla bentonita
La caracterización de las muestras fue realizada en un difractómetro de rayos X con radiación de Cu Ka (l = 0.1542 nm) operado a 30 kV y 15 mA.
Las lecturas del análisis termogravimétrico (TGA) fueron conducidas en un TGA Q500 V6.7 Build 203 en el rango de temperatura de 20-800 °C a una tasa de calentamiento de 10 oC. min-El análisis de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) se realizó en un equipo Nicolet IS5 Thermo Scientific entre 500 - 4000 cm-1 en modo transmitancia. Los análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) se hicieron en un FEI Quanta 250 microscope (OR, USA).
Preparación y análisis de la activación ácida de la arcilla bentonita
La activación ácida de las arcillas tipo bentonita fue preparada (a partir de la arcilla tipo bentonita natural de arriba) con ácido sulfúrico de 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 % y 45 % (en masa) con agitación por 4 horas. La temperatura de la reacción fue controlada a 96-98 °C en un baño maría y la relación de arcilla tipo bentonita con la solución de ácido sulfúrico fue 1:2 (en masa).
La suspensión de arcilla tipo bentonita activada así obtenida fue lavada repetidamente con agua destilada hasta que el pH del sobrenadante alcanzará 4-5.
La arcilla filtrada fue secada a 105 ° C hasta que el contenido de humedad fuera menos del 8 % de su peso. La arcilla tipo bentonita activada con ácido secada se guardó en desecador que contiene silica gel para futuros estudios de blanqueamiento de aceite de palma. Las características estructurales de dos (2) lotes diferentes de arcillas activadas vía ácido fueron estudiadas mediante patrón de DRX, FTIR, TGA y SEM.
Preparación y funcionalización de la arcilla con líquidos iónicos
La funcionalización de la arcilla tipo bentonita se realizó mediante el tratamiento de la arcilla con líquidos iónicos derivados del imidazol en soluciona alcohólica con agitación constante por 1 hora. Se tomaron 5 gramos de arcilla por 15 gramos de líquido iónico para asegurar la total funcionalización (relación 1:3). Después de este tiempo, se filtra la arcilla, se lava tres veces con alcohol para eliminar liquido iónico superficial, y se seca a 110 oC por 24 horas
Dicha funcionalización se realizó con tres líquidos iónicos diferentes derivados del Hexa-decil metilimidazol, variando el contraión, OH-, BF4-, y Br- para ver su efecto en la intercalación en los planos interlaminares de la arcilla, ya que todos tiene la misma longitud de la cadena alquílica, y así evaluar su capacidad adsorbente, respectivamente los líquidos iónicos son [Hexamim][OH], [Hexamim][BF4] y [Hexamim][Br].
Blanqueamiento de aceite crudo de palma
El blanqueamiento al vacío se consiguió en un rota-evaporador el cual fue conectado a una bomba de vacío con 8.0-8.5 kPa. El fondo plano del matraz del rota-evaporador de 250 mL, con 50 g desgomados de aceite de palma en el interior, fueron evacuados hasta 8.0-8.5 kPa y precalentados hasta 65-70 ° C, con agitación a 240 rpm. Después que la arcilla fuese adicionada [3 % (en masa) respecto del aceite de palma], el matraz fue evacuado una vez más y calentado luego hasta la temperatura de reacción (96-98 ° C) con agitación de 240 rpm, manteniendo por 25 minutos a esta temperatura. Finalmente, la suspensión aceite/arcilla fue transferida a un matraz del equipo de filtración equipado con doble hoja de papel filtro y filtrada por succión de vacío. En la figura 1 se observa el resultado del proceso de blanqueamiento del aceite de palma natural y los resultados son verdaderamente muy reveladores de la efectividad de la arcilla activada.
Análisis del desempeño del blanqueamiento del aceite de palma
El blanqueamiento de aceites por adsorción remueve algunos pigmentos. Se sabe bien que los carotenoides son el color de pigmento rojo amarillo predominante y el color verde es causado principalmente por la clorofila en aceites vegetables. En este sentido, la longitud de onda a la máxima absorbancia y los valores de absorbancia de la clorofila y carotenos fueron obtenidos con un espectrofotómetro UV-VIS (Cintra20, GBC Scientific Equipment Pty Ltd, Australia). La capacidad de blanqueamiento (CB) fue evaluada por monitoreo de la absorbancia a cada longitud de onda máxima, como se muestra en la siguiente ecuación:
Donde A λ A λ es la densidad óptica a la longitud de onda λ
pH del aceite de palma
Se midió el potencial de la actividad de hidrogeno pH tanto en la muestra de aceite blanqueado y aceite desgomado con potenciometría usando electrodo de vidrio a una solución del 10 % en isoctano de cada uno de los aceites testeados.
Remoción del colorante aniónico índigo carmín en una muestra de agua utilizando la arcilla modificada.
Se empaqueto una jeringa de 5 cm con la arcilla modificada, y a través de ella se hicieron pasar 5 ml de una solución de agua contaminada con el colorante azul índigo carmín (5 ppm), y los resultados son excelentes, pero mucho mejor con la modificada con [Hexamin][BF4], la cual logro retener hasta un 97% del agente contaminante en un tiempo de 20 minutos, tal como se muestra en la figura 2 .
En la anterior figura se observa cómo el agua está contaminada al principio en el primer vaso con la muestra, en donde la arcilla sin funcionalizar no logra adsorber el colorante Cuantitativamente estos resultados se observan contaminante. Mientras que en el recipiente en la figura 3, en donde se utilizó la técnica 1 se observa con claridad cómo el agua ha de absorción química para determinar la logrado salir casi limpia sin contaminante. concentración de colorante en cada caso.
Resultados
Análisis de la arcilla tipo bentonita natural
La caracterización de la arcilla tipo bentonita natural se realizó por DRX, indicando que la muestra consiste predominantemente de montmorillonita, cantidades substanciales de cuarzo e impurezas de feldespato, además de cantidades menores de illita, kaolinita y yeso.
Las propiedades térmicas (TGA) de la arcilla tipo bentonita natural mostraron que la muestra a 180 ° C pierde el 5.2 % de peso y a 580 ° C se incrementa en un 3,9 % adicional, como consecuencia de la pérdida de diferentes tipos de aguas (moléculas de agua adsorbidas y enlaces químicos de grupos OH-) en la arcilla tipo bentonita natural.
La coincidencia de espectros FTIR (figura 4) entre la arcilla tipo bentonita natural y el patrón Sigma Aldrich demuestran que el contenido de la arcilla tipo bentonita es primordialmente montmorillonita, además se aprecian seis bandas que corresponden a: 3614 y 3418 cm-1 (extensión OH y de hidratación); 1641 cm-1 (flexión OH y de hidratación); 1051 cm-1 (extensión en el plano Si-OH); 542 cm-1 (flexión Si-O) y 460 cm-1 (flexión Al-OH).
Análisis del desempeño del blanqueamiento de aceite
Los análisis de espectroscopia de ultravioleta se hicieron a una longitud de onda de k = 450 nm (para p -carotenos) en dos diluciones de aceite de palma antes y después del blanqueamiento tomando 0,19 g de aceite de palma y disolviendo en 2 mL de isooctano (dilución a) y en una dilución de esta, midiendo 1,5 mL de muestra de la dilución a y diluyendo con 2,5 mL de isooctano (dilución b), tal como se muestra en la tabla 1.
Conclusiones
Las arcillas tipo Montmorillonita son un material que permite su fácil modificación o funcionalización para la obtención de nuevos materiales de aplicación técnica e industrial según los resultados aquí obtenidos.
La nueva arcilla tipo bentonita de la mina el Líbano-Tolima fue caracterizada y activada para destinarla al blanqueamiento exitoso de aceite crudo de palma tal como se muestra en la Figura 1 con una capacidad de blanqueamiento CB superior al 96 %. Este procedimiento abre una gran posibilidad para la obtención de nuevos materiales con aplicación industrial y a gran escala que podría llegar a ser comercializado.
Por otro lado, según los resultados para la retención del colorante índigo carmín (colorante aniónico) mediante la utilización de la arcilla modificada con líquidos iónicos nos da un precedente importante para la obtención de nuevos materiales adsorbentes ya que según los resultados dicho material modificado es capaz de retener el 97 %> del colorante en agua, en un tiempo de 20 minutos, en el caso de la arcilla modificada con [Hexamin][BF4] lo que posibilita a este material para la remoción de agentes altamente contaminantes en aguas de procesos industriales.
Aunque los tres nuevos materiales funcionan para la remoción del colorante azul índigo carmín tal como lo muestran los resultados en la Grafica 1, el que mejor funciona es el [Hexamim][BF4], seguido del [Hexamim] [Br] y luego [Hexamim][OH], lo cual se puede explicar por el tipo de interacciones que se pueden generar entre el agente funcionalizante y la molécula atrapada por el adsorbente, lo que permite modular la capacidad de adsorción conociendo el tipo de interacciones que se favorecen. Este resultado permitiría reutilizar el agua en los procesos una vez se ha logrado la adsorción de los contaminantes, lo cual sería un aporte a la preservación y ahorro de un recurso tan importante como lo es el agua