Remoción del colorante azoico tartrazina (E-102) mediante el uso de Fe3O4@NH2-MIL-101(Fe) en muestras acuosas

Abstract

La contaminación de recursos hídricos por colorantes azoicos, particularmente la tartrazina (E-102), representa un serio problema ambiental debido a su toxicidad, persistencia y potencial carcinogénico. Frente a la necesidad de desarrollar métodos de remoción eficientes y sostenibles, esta investigación se centró en la síntesis, caracterización y evaluación del desempeño de un material adsorbente magnético y nanoporoso: el compuesto Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe). Este material fue diseñado combinando las ventajas de una alta área superficial y funcionalización con grupos amino de las redes metal-orgánico (MOF) NH₂-MIL-101(Fe) con las propiedades magnéticas de la magnetita (Fe₃O₄), lo que facilita su separación posterior al proceso de adsorción mediante la simple aplicación de un campo magnético externo. La síntesis se realizó mediante un método solvotermal, y el material fue caracterizado mediante FT-IR, DRX y BET. Los análisis confirmaron la estructura core-shell deseada, donde las nanopartículas de Fe₃O4 actúan como núcleo y el MOF forma la cubierta. El análisis BET reveló que el material compuesto posee un área superficial de 56.39 m²/g y un diámetro de poro promedio de 11.39 nm, clasificándolo como mesoporoso, mientras que el MOF sin el núcleo magnético (NH₂-MIL-101(Fe)) mostró un área mayor de 75.42 m²/g, confirmando que la incorporación de la magnetita reduce ligeramente el área superficial. Los ensayos de adsorción demostraron que el Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe) es efectivo para la remoción de tartrazina de soluciones acuosas, con una fuerte dependencia del pH del medio. La máxima eficiencia de remoción (57.24%) se obtuvo a pH 4, condición en la que los grupos amino del adsorbente (-NH₂) están protonados (-NH₃⁺), generando una superficie cargada positivamente que favorece la atracción electrostática con los grupos sulfonato (-SO₃⁻) de la molécula de tartrazina, que está cargada negativamente. El estudio de isotermas de adsorción indicó que el proceso se ajusta mejor al modelo de Freundlich mostrando un buen ajuste (R² = 0.9995), con un parámetro de intensidad de adsorción mayor a 1 (n = 1.6010), lo que confirma que el proceso es favorable. El análisis cinético reveló que el mecanismo de adsorción es mejor descrito por el modelo de pseudo-segundo orden (R² ≥ 0.9907 para todas las concentraciones), en comparación con el modelo de pseudo-primer orden. Esto indica que la quimisorción, probablemente mediada por interacciones electrostáticas y formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos amino del MOF y los grupos sulfonato del colorante, es la etapa controlante de la velocidad del proceso. Los valores de la constante cinética k₂ disminuyeron de 5.99x10-3 a 1.04x10-3 g/mg·min al aumentar la concentración de tartrazina de 10 a 25 ppm, un comportamiento esperado debido a la mayor competencia por los sitios activos disponibles. Los estudios de reutilización mostraron que el material puede ser regenerado y reutilizado, aunque con una pérdida gradual de eficacia; la remoción disminuyó de un 64.09% en el primer ciclo a un rango de 34-38% después de cinco ciclos. Esta pérdida en la capacidad de adsorción se atribuye a una regeneración incompleta de los sitios activos, sugiriendo que protocolos de regeneración más robustos podrían mejorar la estabilidad del material a largo plazo. En conclusión, esta tesis demuestra que el Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe) es un adsorbente magnético prometedor y efectivo para la remoción del colorante tartrazina de aguas contaminadas. Su alta eficiencia, especialmente en condiciones ácidas, su separación magnética sencilla y su potencial para ser reutilizado lo convierten en una alternativa atractiva y sostenible para aplicaciones de remediación ambiental.

Water pollution by azo dyes, particularly tartrazine (E-102), represents a serious environmental problem due to its toxicity, persistence, and potential carcinogenicity. In response to the need to develop efficient and sustainable removal methods, this research focused on the synthesis, characterization, and performance evaluation of a magnetic and nanoporous adsorbent material: the Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe) composite. This material was designed by combining the advantages of a high surface area and amino functionalization of the metal–organic framework (MOF) NH₂-MIL-101(Fe) with the magnetic properties of magnetite (Fe₃O₄), which facilitates its separation after the adsorption process through the simple application of an external magnetic field. The synthesis was carried out using a solvothermal method, and the material was characterized by FT-IR, XRD, and BET analyses. The results confirmed the desired core–shell structure, where Fe₃O₄ nanoparticles act as the core and the MOF forms the shell. BET analysis revealed that the composite material has a surface area of 56.39 m²/g and an average pore diameter of 11.39 nm, classifying it as mesoporous, while the MOF without the magnetic core (NH₂-MIL-101(Fe)) showed a higher surface area of 75.42 m²/g, confirming that the incorporation of magnetite slightly reduces the surface area. Adsorption experiments demonstrated that Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe) is effective for the removal of tartrazine from aqueous solutions, with a strong dependence on the pH of the medium. The maximum removal efficiency (57.24%) was obtained at pH 4, a condition in which the amino groups of the adsorbent (-NH₂) are protonated (-NH₃⁺), generating a positively charged surface that promotes electrostatic attraction with the sulfonate groups (-SO₃⁻) of the tartrazine molecule, which is negatively charged. The adsorption isotherm study indicated that the process fits best to the Freundlich model, showing an excellent correlation (R² = 0.9995), with an adsorption intensity parameter greater than 1 (n = 1.6010), confirming that the process is favorable. The kinetic analysis revealed that the adsorption mechanism is better described by the pseudo-second-order model (R² ≥ 0.9907 for all concentrations) compared to the pseudo-first-order model. This suggests that chemisorption, likely mediated by electrostatic interactions and hydrogen bonding between the amino groups of the MOF and the sulfonate groups of the dye, is the rate-controlling step of the process. The kinetic constant (k₂) values decreased from 5.99x10-3 to 1.04x10-3 g/mg·min as the tartrazine concentration increased from 10 to 25 ppm, a behavior expected due to greater competition for the available active sites. Reusability studies showed that the material can be regenerated and reused, although with a gradual loss of efficiency; the removal decreased from 64.09% in the first cycle to a range of 34–38% after five cycles. This loss in adsorption capacity is attributed to incomplete regeneration of active sites, suggesting that more robust regeneration protocols could improve the long-term stability of the material. In conclusion, this thesis demonstrates that Fe₃O₄@NH₂-MIL-101(Fe) is a promising and effective magnetic adsorbent for the removal of the tartrazine dye from contaminated water. Its high efficiency, especially under acidic conditions, simple magnetic separation, and potential for reuse make it an attractive and sustainable alternative for environmental remediation applications.