Wastewater treatment using an iron nanocatalyst supported on Fique fibers

Abstract

Abstract. Treatment of industrial wastewater for bleaching and removal of heavy metals using heterogeneous, economic and feasible processes has been a topic of interest at industrial scale. Currently, sciences such as nanotechnology have potentiated the properties of composite materials, which have enabled the use and implementation of nanoparticles as active phase in catalysts and adsorbent materials. Particularly, iron nanoparticles have been used in the removal of heavy metals such as mercury and arsenic through operations such as adsorption and they have been used in advanced oxidation processes in which, Fenton process of degradation and mineralization of water from textile industries is performed. In addition, the current need to generate products and processes with sustainable basis has made possible the implementation of the use of natural fibers as potential matrices of composite materials. For this reason today much of the research has focused on the use of lignocellulosic materials, in order to exploit the mechanical, physical and chemical properties of cellulose. In this MSc thesis, a catalytic material was developed from the use of fique fiber as support of iron nanoparticles. A pretreatment of the raw fiber was performed in order to create the appropriate chemical an physical conditions on the fiber surface to support the iron; a functionalization process was carried out to further improve the anchorage to the surface; finally, wet impregnation was used to incorporated iron nanoparticles on the support surface. A detailed characterization of the synthesized material was performed via by gravimetric, volumetric and instrumental analytical methods. This MSc thesis also explore potential applications in the treatment of wastewater, in which promising results were found with respect to degradation and mineralization of azodyes such as Orange II and the removal of heavy metals such as mercury. Both applications were analyzed in order to understand the relevant variables involved during the adsorption and reaction processes.

Resumen. El tratamiento de aguas residuales industriales para la decoloración y la remoción de metales pesados utilizando procesos heterogéneos, económicos y factibles ha sido un tema de interés a escala industrial. Actualmente ciencias como la nanotecnología han potencializado las propiedades de materiales compuestos, los cuales han permitido incursionar en el uso de nanopartículas, como fase activa para catalizadores. Particularmente, las nanopartículas de hierro se han utilizado en la remoción de metales pesados como el mercurio y el arsénico a través de operaciones como la adsorción y han sido utilizadas en procesos avanzados de oxidación en los cuales, a partir del proceso Fenton, se realiza la degradación y mineralización de aguas provenientes de industrias textiles. Adicionalmente, la necesidad actual de generar productos y procesos de carácter sostenible ha hecho posible la implementación del uso de fibras naturales como matrices potenciales de materiales compuestos. Es por esta razón que hoy en día mucha de la investigación se ha focalizado en el uso de materiales lignocelulósicos, con el fin de aprovechar las propiedades mecánicas, físicas y químicas que posee la celulosa. En esta tesis de maestría, se obtuvo un material catalítico a partir del uso de la fibra de fique como soporte de nanopartículas de hierro. Con el objetivo de hacer posible el proceso del anclaje de nanopartículas, se realizó una preparación de la fibra la cual consistió en una funcionalización del soporte para posteriormente depositar las nanopartículas de hierro por medio de un método fácil y económico de síntesis de nanopartículas como lo es la impregnación húmeda; así mismo, para conocer las propiedades relativas al material se realizó una caracterización fisicoquímica por medio de métodos analíticos gravimétricos, volumétricos e instrumentales. Esta tesis de maestría también exploró potenciales aplicaciones en el tratamiento de aguas residuales, dentro de las cuales se encontraron resultados prometedores en relación a la degradación y mineralización de colorantes tipo azo como el Orange II y en la remoción de metales pesados como el mercurio. Ambas aplicaciones fueron analizadas con el fin de comprender las variables fundamentales de los procesos de adsorción y reacción involucrados.