Experimental and theorical studies of mixed smectite and ai2o3 nanoparticles to improve pollutant retention in geochemical barriers

Con el objetivo de disenar barreras geoquimicas optimizadas para la retencion de contaminantes, en este estudio se analiza, teorica y experimentalmente, las condiciones en las que la retencion de contaminantes en la arcilla esmectita se mejora mediante la inclusion de nanoparticulas (NPs) de alumina (??Al2O3). La esmectita se ha seleccionado por ser un material ampliamente empleado en barreras geoquimicas y de ingenieria. Las NPs de alumina se consideraron para optimizar la sorcion de contaminantes, por su elevada superficie especifica, carga superficial y reactividad. El estudio se ha llevado a cabo con cuatro contaminantes, selenio, estroncio, cadmio y uranio, que abarcan distintos tipos de comportamiento de adsorcion. Se ha realizado un estudio experimental muy detallado, mediante ensayos de adsorcion y mediante el empleo de tecnicas espectroscopicas, para valorar la retencion de los contaminantes en los sistemas independientes, en un amplio rango de condiciones (tiempo, quimica del agua, pH, fuerza ionica). Se han propuesto modelos de complejacion superficial, para describir de forma mecanicista, el comportamiento de adsorcion en la esmectita y en la alumina. Se ha analizado la sorcion de los contaminantes en mezclas de esmectita y alumina con el objetivo de verificar si los modelos de complejacion desarrollados para la esmectita y la alumina son capaces de describir, de forma aditiva, su comportamiento. Como soporte fundamental a los estudios de adsorcion, se ha estudiado la estabilidad de las particulas de esmectita y alumina, considerando el equilibrio quimico de las mezclas. Se ha observado que al mezclar esmectita y NPs de ??Al2O3 se promueve una rapida (hetero)agregacion, dependiente del pH y del contenido de alumina en la mezcla. Los resultados de sorcion obtenidos demuestran que las nanoparticulas de ??Al2O3 aumentan significativamente la retencion de especies anionicas, como el selenio, en condiciones de pH inferiores al punto de carga cero de la alumina. La adicion de ??Al2O3 mejora la retencion de cationes en la esmectita, en aquellas condiciones en las que la complejacion superficial es el mecanismo de sorcion dominante. Sin embargo, la sorcion no aumenta, e incluso disminuye, en aquellas condiciones en las que el principal mecanismo de adsorcion es el intercambio ionico en la esmectita (pH acido y baja fuerza ionica). La adsorcion de contaminantes en las mezclas se ha podido simular de forma satisfactoria, considerando el modelo aditivo, en aquellos casos en los que la adicion de alumina mejora la sorcion. Sin embargo, se sobreestima la sorcion en las condiciones donde el intercambio cationico en la esmectita es dominante. La alumina es responsable de esta disminucion de la sorcion en las mezclas. Por un lado, la disolucion de la alumina puede proporcionar iones Al3+ que compiten con el contaminante. Por otro lado, no se descarta que la (hetero)aggregacion de las particulas en las mezclas promueva que las nanoparticulas se depositen en las laminas de arcilla, apantallando su carga negativa, afectando a la adsorcion de los cationes.