Design and development of advanced electro-active clay/polymer hybrid materials for environmental applications

Resumen

La hibridación de minerales arcillosos con polímeros conductores recibe gran interés por diferentes aplicaciones potenciales, incluida la remediación ambiental. Esta tesis contiene tres partes del estudio, en primer lugar, estudia y compara las propiedades electroquímicas de dos arcillas diferentes, montmorillonita (Mont) y diatomita (Diat), y sus respectivos materiales híbridos arcilla/PEDOT-PSS en medio H2SO4. Los materiales híbridos se prepararon por electropolimerización de EDOT en presencia de PSS. Se analizaron las propiedades físico-químicas y electroquímicas de ambas arcillas mediante diferentes técnicas, y se investigó la influencia de las propiedades de la arcilla en la electropolimerización y la electroactividad de los híbridos arcilla/PEDOT-PSS resultantes. En concreto, la sonda redox Fe2+/Fe3+ y la oxidación de diclofenaco, como contaminante emergente farmacéutico modelo, se utilizaron para probar la capacidad de transferencia de electrones y la respuesta oxidativa, respectivamente, de los híbridos arcilla/PEDOT-PSS. Los resultados demuestran que, a pesar de su baja conductividad eléctrica, el Mont es un material electroactivo en sí mismo con una buena capacidad de transferencia de electrones. Por el contrario, el Diat no muestra electroactividad. La hibridación con PEDOT generalmente mejora la electroactividad de las arcillas, pero las propiedades de la arcilla afectan la eficiencia de electropolimerización y la electroactividad de los híbridos, por lo que Mont/PEDOT muestra propiedades electroquímicas mejoradas. Se demuestra que los híbridos de arcilla/PEDOT-PSS exhiben capacidad de oxidación de diclofenaco y sensibilidad a la concentración de diclofenaco. Se sintetizaron diferentes materiales híbridos a base de arcilla en un solo paso mediante polimerización química de EDOT en presencia de la arcilla sin o con nanofibras de carbono (CNF). Estos materiales fueron caracterizados con diferentes técnicas y estudiados por su potencial aplicación en la remoción de diclofenac y Radium, contaminantes emergentes modelo, del agua. Para ello se analizó la termodinámica y cinética de adsorción de diclofenaco y radio sobre los diferentes materiales. En el caso del Diclofenaco, los resultados obtenidos indican que el método de síntesis propuesto permite producir fácilmente los materiales híbridos con rendimientos del 80 - 90 %. La caracterización de estos materiales muestra que la estructura mesoporosa y alta área superficial (ca. 250 m2/g) de la arcilla no se ve afectada de forma notable por su combinación con PEDOT y/o los CNFs. La termogravimetría indica que se han obtenido materiales híbridos con alrededor del 10 % en peso de PEDOT sin y con 4 y 8 % en peso de CNF. La combinación de SEM con XPS y FTIR señala que PEDOT se ha cultivado con éxito alrededor de partículas de arcilla. La comparación de las isotermas de adsorción de diclofenaco indica que la hibridación con PEDOT mejora en gran medida la capacidad de adsorción de la arcilla. La adsorción de la isoterma resultante muestra la adsorción más alta con CNF y Clay/PEDOT con 340 mg/g y 220 mg/g respectivamente. Los datos de equilibrio se aplicaron a dos modelos de isoterma, y los resultados obtenidos sugirieron que la adsorción se siguió mejor con el modelo de Langmuir para Clay/PEDOT y Clay, con una capacidad máxima de adsorción de monocapa de 227,01 mg/g y 20,44 mg/g respectivamente. Por el contrario, fueron mejor ajustados por el modelo de Freundlich para el resto de los materiales, indicando adsorción heterogénea y la posibilidad de formación de multicapas en estos casos. Los datos cinéticos obtenidos para la adsorción se ajustaron mejor a una ecuación de velocidad de pseudo segundo orden para todos los materiales, con una capacidad máxima de adsorción en equilibrio de 18,24 mg/g para Clay/PEDOT. Este hallazgo sugiere que la adsorción se estaba produciendo a través del mecanismo químico. En el caso del Radio, se sintetizaron diferentes materiales híbridos a base de arcilla en un solo paso mediante polimerización química de EDOT y anilina en presencia de arcilla sin o con nanofibras de carbono (CNF). Estos materiales fueron caracterizados con diferentes técnicas y estudiados por su potencial aplicación en la remoción de radio del agua. Para este propósito, se utilizó una muestra de salmuera, recolectada de la salida de la mina subterránea, para probar la remoción de radio. El estudio que se realizó y se detalla en el documento muestra una gran eficacia en la eliminación de radio de las muestras de agua. La característica de los materiales se realizó mediante XRD, TG, FE-SEM, fluorescencia de rayos X y análisis de adsorción-desorción de N2. Los experimentos demostraron que arcilla/PEDOT, arcilla/PEDOT/10 % CNF y arcilla/PANI tienen una eficiencia de eliminación de radio significativamente menor. El uso de arcilla y arcilla que ha sido alterada químicamente por polímeros y nanofibras de carbono es una forma potencial de eliminar el radio del agua. El uso de un material híbrido a base de arcilla es una opción potencial para eliminar el radio del agua. El estudio realizado y detallado en el documento examinó una variedad de nanofibras de carbono y polímeros a base de arcilla (PEDOT, PANI), ya que algunos de ellos muestran una gran eficacia para eliminar el radio de las muestras de agua. La característica de los materiales se realizó mediante XRD, TG, FE-SEM, fluorescencia de rayos X y análisis de adsorción-desorción de N2. Para las pruebas de remoción de radio, se utilizó una muestra de salmuera, recolectada de la salida de una mina subterránea. Los experimentos demostraron que arcilla/PEDOT, arcilla/PEDOT/10 % CNF y arcilla/PANI tienen una eficiencia de eliminación de radio significativamente menor.