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AVENTURASDEL PENSAMIENTO

USO DE ARCILLASen la remoción de metales tóxicos en agua

CARMEN ORALIA MELÉNDEZ PIZARRO y ALEJANDRO A. CAMACHO DÁVILAFacultad de Ciencias Químicas/Universidad Autónoma de Chihuahua

La presencia de metales tóxi-cos en el agua representa un pro-blema de salud, ya que no solamenteafecta al ser humano sino también a plan-tas y animales, lo que ocasiona un deterio-ro en el medio ambiente. Los metales tóxicosse han tratado de remover con diferentes métodoscomo la filtración, ósmosis inversa, intercambio iónicoy nanofiltración, ente otros. Estas son técnicas caras obien laboriosas o no aptas para las características delagua. Diferentes materiales como biomateriales y car-bón activado han sido usados para la remoción de me-tales, pero el hecho de trabajar con material biológicorepresenta una barrera al no poder utilizar condicionesextremas y la obtención de carbón activado resulta muycostosa. Los metales pueden estar tanto en agua pota-ble como agua de ríos o residuales. Se sabe que elplomo y el mercurio afectan al sistema nervioso cen-tral y que el cadmio puede producir cáncer (Klaasseny col., 2001). De ahí la necesidad de utilizar adsorbenteseficaces para la remoción de metales tóxicos. Las ar-cillas han mostrado un gran potencial en la separaciónde metales tóxicos en soluciones acuosas.

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Formación y estructura de las arcillasLas arcillas son minerales secundarios que se formana partir de la erosión de minerales primarios como ro-cas o cuarzo. Se denominan filoaluminosilicatos por-que tienen estructura laminar y están constituidos bási-camente de silicio, oxigeno y aluminio. El arreglo deestos tres elementos le dan las características desea-bles en la remoción de metales tóxicos. Los enlacesSi-O y Al-O son muy estables y fuertes, lo que le hacontribuido a su abundancia como aluminosilicatos enla corteza terrestre (Winegardner, 1996). El tetraedrode SiO4 forma una estructura laminar a través de en-laces cruzados de siloxano (McBride, 1994) y esta esuna parte fundamental de las hojas laminares de unaarcilla (ver figura 1).

Figura 1. Tetraedro de SiO4 que forma la unidadrepetitiva en la hoja tetraédrica laminar de las arcillas.

Otra unidad fundamental en las arcillas es eloctaedro de AlO6 (aluminato) que forma parte de lacapa octaédrica laminar (figura 2).

Figura 2. Octaedro de AlO6 que forma la unidadrepetitiva en la capa octaédrica laminar de las arcillas.

Al unirse las hojas tetraédricas y octaédricas danorigen a dos tipos de arcillas que se clasifican comotipo 1:1 y 2:1. Cuando la hoja del tetraedro y octaedrose unen tienen un oxigeno en común. Este oxigeno com-partido proviene del ápice del tetraedro para formaruna arcilla 1:1. Así, las capas laminares de tetraedro desilicio y octaedro de aluminio se combinan para daruna arcilla del tipo 1:1. Esto es, una hoja tetraédrica yuna octaédrica.

Figura 3. Arcilla tipo 1:1, con una hoja de siliciotetraédrica y otra de aluminio octaédrica.

Las arcillas 2:1 están formadas por dos hojas ocapas de silicio tetraédricas unidas por una hoja de alu-minio octaédrica. Este tipo simula un sándwich en elcual las 2 rebanadas de pan corresponden a la hoja detetraedro y el jamón, al octaedro.

Figura 4. Arcilla tipo 2:1, formada por dos hojastetraédricas de silicio haciendo sándwich a una

octaédrica de aluminio.

Propiedades de las arcillas en laremoción de metalesLas propiedades de las arcillas que afectan la remo-ción de metales y específicamente cationes son la ca-pacidad de intercambio catiónico (CEC), densidad decarga, área superficial y el pH de la solución dada porla arcilla (Bradl, 2004).

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La CEC indica la cantidad de cationesintercambiados sobre la superficie de la arcilla. La CECes expresada en miliequivalentes (+) por 100 gramosde adsorbente (meq(+)/100 g material); (+) indica lossitios cargados y el material es la arcilla (Sposito, 1989).La CEC es mayor en las arcillas 2:1 que en las 1:1.Entre mayor sea el valor de la CEC mejores resultadosse obtendrán en la remoción de metales tóxicos.

La superficie de las arcillas es negativa y atrae alos cationes y son mantenidos en ese lugar por fuerzaselectrostáticas. La carga negativa de las arcillas estálocalizada en la superficie y debido a la estructura decapas, esta es una propiedad en la remoción de cationes.La carga puede ser permanente y/o variable y puedenexistir simultáneamente. La carga permanente es elresultado de la sustitución isomórfica en la estructurade la arcilla cuando esta estaba en formación. Loscationes de fierro y de magnesio se encuentran conabundancia en la naturaleza y pueden isomórficamentesustituir al aluminio o al silicio en la estructura de laarcilla; porque su carga es diferente a la del aluminio ysilicio, se crea una carga negativa permanente. Estacarga permanente negativa es balanceada por cationesintercambiables en la superficie de la arcilla (Sparks,1995). Por otra parte, la carga variable de las arcillascambia con el pH. Este cambio depende de la acidez obasicidad del ambiente de la solución. Como conse-cuencia, el pH promueve una protonación odesprotonación de las arcillas.

La densidad de carga en las capas de arcilla esrelativa a la CEC; por lo tanto, la densidad de cargaafecta directamente la remoción de cationes. La su-perficie de densidad de carga es la propiedad que indi-ca la concentración de cargas en la superficie de laarcilla, pero la cantidad de cargas es el valor de la CEC.Esta propiedad de densidad de carga es única para cadaarcilla. Una arcilla con una alta densidad de carga esdeseable para una eficiente remoción de cationes, y

esto indirectamente significa que la arcilla tendrá unapequeña área de superficie por carga.

El área de superficie por unidad de peso de la arci-lla es otra propiedad única que afecta la remoción decationes. Las arcillas con grandes áreas de superficieson mejores para la absorción de metales tóxicos. Lasarcillas son estructuras laminares y el área de superfi-cie al volumen es muy grande en comparación conmuchos otros minerales. Por estas propiedades, lasarcillas han sido utilizadas en la remoción de metalesen soluciones acuosas.

Uso en el mundo de las arcillas pararemoción de metalesEl uso de arcillas en la remoción de metales tóxicos ensoluciones acuosas ha sido reportado extensivamenteen diversas partes del mundo. Entre los metales repor-tados se mencionan el plomo, cadmio, mercurio, cobrey zinc. Entre las arcillas naturales reportadas están lacaolinita (Coles y col.; Manoje y col.; Chantawong ycol.; Orumwense y col.; Gupta y col.), montmorillonita(Miranda; Trevino y col.; Farrah y col. y Barbier),hectorita (Brigatti y col.), sepiolita (Farquhar y col.),muscovita (Das, 1993), vermiculita (Cooper y col.,2002). Tambien se ha reportado el uso de arcillas mo-dificadas (Cruz Guzmán y col., 2006; Krikorian y col.,2005; Krishna y col., 2004; Adebowale y col., 2005).

ConclusiónLas arcillas son materiales abundantes en la naturale-za que poseen excelentes propiedades absorbentes; poresto, han sido utilizadas exitosamente en la remociónde metales tóxicos de agua. Una de las característicasde las arcillas que la hacen muy atractiva para la re-moción de cationes tóxicos es su alta CEC, área desuperficie y densidad de carga, sin dejar de lado suabundancia y bajo costo. A pesar de estos rasgos, lasarcillas presentan ciertas limitaciones que pueden sermodificadas con el fin de incrementar su efectividaden la remoción de metales. Algunas de estas caracte-rísticas han sido cambiadas con buenos resultados aun-que aún existe mucho campo para seguir estudiandootras modificaciones. Esto hace de las arcillas mate-riales muy interesantes para continuar estudiando ymodificando sus propiedades y usarlas no solo en laremoción de metales sino de otros contaminantes.

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