Año 5 Número 9 2015 - Universidad Autónoma del Estado de México

FACULTAD DE QUÍMICA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE
MÉXICO
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Año 5, Núm. 9, agosto 2014– enero 2015
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Editor
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y unidades académicas profesionales
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ENLACE Químico, Año 5, No. 9, agosto 2014 – enero 2015, es una publicación semestral editada y publicada por la Universidad
Autónoma del Estado de México a través de la Facultad de Química, Paseo Tollocan esquina Paseo Colón, Col. Universidad, C.P.
50120, Toluca, México. Tel. (722) 2173890, www.uaemex.mx/enlacequimico, enlacequimico@uaemex.mx. Editor responsable: Dr. Iván
García Orozco. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2014-101014360400-203, otorgada por el Instituto Nacional del Derecho
de Autor. Responsable de la última actualización de este número, Dirección de Tecnologías de la Información y Comunicaciones, Ing.
Edilberto Lara Sánchez, Cerro de Coatepec s/n, Ciudad Universitaria, C.P. 50110, Toluca, México, fecha de última modificación, marzo
de 2015. La responsabilidad de los artículos publicados es estrictamente de sus autores y no refleja necesariamente la postura del editor
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CONTENIDO
Editorial
05
La importancia de las arcillas pilareadas
Rubi Romero-Romero, Reyna Natividad-Rangel, Armando Ramírez-Serrano, Eduardo Martín-del
Campo
7
Remoción de iones utilizando membranas modificadas. ¿Dureza en el agua?
Devi Reyes-Valdez, Humberto Rafael Castillo-Huitron, María Magdalena García-Fabila, Rosa
María Gómez-Espinosa11
Procesos enzimáticos en el laboratorio de Ingeniería Química
Rubi Romero-Romero, Reyna Natividad-Rangel, Leticia Xochitl López-Martínez, Ramiro BaezaJiménez
17
Cáscara de naranja para remoción de contaminantes en agua
Lilián Galindo-Gómez, Michelle Ignacio Cuenca-González, Alfredo Rafael Vilchis-Néstor, Gustavo
López-Téllez
El pitufo dorado
21
Alfredo Rafael Vilchis-Nestor
27
Generalidades del cromo
Claudia Rosales-Landeros, Carlos Eduardo Barrera-Díaz
33
Equipo de digestión
digestion / Foto: Iván García-Orozco
Sin título (fragmento), Leopoldo Flores / Foto: Iván García-Orozco
Detalle Equipo de digestión de la uaem / Foto: Iván García-Orozco
EDITORIAL
Pasa el tiempo y ENLACE Químico se va consolidando como
parte de la Facultad de Química y de los trabajos que aquí
se llevan a cabo. Muestra de ello son las contribuciones que
presentamos en este número, las cuales van dirigidas hacia
la química aplicada, orientada a encontrar soluciones a los
problemas cotidianos. Soluciones catalíticas en la obtención de
biodiesel, procesos enzimáticos y remoción de contaminantes
en el agua. Membranas modificadas en la eliminación de la
dureza del agua y una perspectiva de un elemento contaminante
como es el cromo. También presentamos una comparación
divertida sobre nanopartículas de oro, en el “Pitufo dorado”.
Es importante destacar que las contribuciones de este
número corresponden a temas desarrollados en el Centro
Conjunto de Investigación en Química Sustentable uaem-unam.
Uno de los primeros centros de colaboración conjunta entre la
unam con universidades estatales, que ha venido a consolidar
el quehacer científico desarrollado en nuestra querida Facultad
de Química de la uaem.
Esperamos que los artículos presentados en este número
sean de su agrado y los invitamos a enviarnos sus trabajos
para publicarse en los siguientes números de la revista.
Cualquier aportación, comentario o sugerencia les rogamos
hacérnoslo llegar a través de la dirección de correo electrónico
enlacequimico@uaemex.mx.
Gabinetes Universitarios de Física / Foto: IvánBiblioteca
García-Orozco
de la Facultad de Química de la uaem / Foto: Iván García-Orozco
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 8-11
La importancia de las arcillas pilareadas
Arcillas pilareadas
The importance of pillared clays
RUBI ROMERO-ROMERO1*, REYNA NATIVIDAD-RANGEL1,
ARMANDO RAMÍREZ-SERRANO1, EDUARDO MARTÍN-DEL CAMPO1
*Correo electrónico de contacto: rromeror@uaemex.mx
Recepción: 18 de marzo de 2014
El término arcilla pilareada fue utilizado inicialmente
por Barrer y MacLeod [1] para describir unos
materiales preparados a partir de arcillas (figura 1)
con elevados valores de espaciado basal y área
superficial, observando que en función del tamaño
del catión introducido, podía variar la distancia
entre las láminas de la arcilla.
tamaño de poro y mayor estabilidad térmica,
así como una acidez suficiente para catalizar
reacciones de hidrocraqueo, hidrodesulfuración
e hidroisomerización. Asimismo, se han utilizado
como adsorbentes e intercambiadores iónicos. El
proceso de pilareamiento se ilustra en la figura 2.
Figura 2
Proceso de pilareamiento de arcillas
Figura 1
Estructuras de las capas de arcilla
Aceptación: 1 de julio de 2014
Fuente: elaboración propia.
Resumen
Abstract
Las arcillas pilareadas basan su importancia
en las características que presentan: elevada
área superficial, mayor tamaño de poro y
mayor estabilidad térmica, lo que las convierte
en un material catalítico novedoso en procesos
relacionados con la protección del medio
ambiente, entre los cuales se encuentran:
la reducción selectiva de NOx, procesos de
oxidación avanzada, adsorción de colorantes
y reacciones de oxidación verde, entre otras.
The pillared clays take importance by its
characteristics: high surface area, larger
pore size and higher thermal stability.
These characteristics make them a novel
catalytic material related to environmental
protection, including selective reduction
of NOx, advanced oxidation processes,
adsorption of dyes and green oxidation
reactions, among others.
Palabras
clave: arcillas pilareadas,
adsorción, procesos de oxidación avanzada.
Keywords: pillared clays,
advanced oxidation process.
1
adsorption,
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
8
Universidad Autónoma del Estado de México
Fuente: elaboración propia.
Los minerales de arcilla como las esmectitas
pueden modificarse a través de diversos métodos,
en función de las características iniciales del
material y del producto final. Los métodos que
se han aplicado son la activación ácida, el
intercambio iónico y la pilarización. Los sólidos
obtenidos presentan alto valor añadido y pueden
ser utilizados como adsorbentes, catalizadores y
soportes catalíticos, entre otras aplicaciones.
Las arcillas pilareadas se preparan mediante
un intercambio iónico de los cationes Na+ y Ca2+,
presentes en la arcilla natural, por polioxocationes
inorgánicos de Al, Fe, Ti, Zr, Ga o Cr. Tras
calcinación,estospolioxocationessedescomponen
en los correspondientes óxidos metálicos que
actúan como pilares de las láminas de la arcilla.
Como resultado del proceso de pilareamiento, se
produce un aumento del área superficial, un mayor
Universidad Autónoma del Estado de México
Algunas de las características que deben tener las
especies químicas intercaladas entre las láminas
de arcilla son: poseer una carga eléctrica positiva,
ser solubles (en agua o en otro disolvente de uso
común), adquirir propiedades catalíticas y ser
susceptibles de descomponerse en otra especie
más estable cuando se les trata térmicamente o
mediante otro procedimiento.
Bajo determinadas condiciones, el proceso de
hidrólisis de sales metálicas da como resultado la
precipitación de los hidróxidos correspondientes o
la formación de soles (polihidroxicationes). Estos
últimos están cargados positivamente y pueden
interaccionar con las esmectitas y provocar la
apertura de su estructura, alcanzándose elevados
valores de áreas superficiales.
Algunas aplicaciones de interés medioambiental en donde se utilizan estos
materiales son: separación selectiva de gases
procedentes de vertederos municipales; depuración de efluentes gaseosos y líquidos con
presencia de compuestos orgánicos mediante
adsorción y oxidación catalítica; depuración de
efluentes gaseosos con presencia de óxidos
de nitrógeno mediante reducción catalítica
y síntesis de combustibles líquidos, entre
otras aplicaciones [2]. Describiremos algunos
procesos donde las arcillas pilareadas tienen
un mayor impacto en la protección del medio
ambiente.
9
Rubi Romero-Romero et al.,: La importancia de las arcillas pilareadas
Arcillas pilareadas en la reducción selectiva de
óxidos de nitrógeno (scr)
Entre los distintos métodos de tratamiento
de los gases de combustión (medidas
secundarias), la tecnología de catálisis ha
demostrado ser un arma de gran utilidad en
la lucha contra la contaminación atmosférica,
especialmente en la eliminación de los NOx,
ya que aporta soluciones eficaces para
transformarlos en sustancias inocuas. Así,
los procesos de la Reducción Catalítica
Selectiva (scr) empleando amoníaco o
hidrocarburos como agentes reductores, son
hoy en día los más utilizados industrialmente
y desarrollados en el mundo, pues permiten
eliminar eficaz, selectiva y económicamente
los NOx presentes, tanto en fuentes fijas
(efluentes industriales) como en fuentes
móviles (vehículos de motor) (figura 3).
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 8-11
Las arcillas pilareadas han sido utilizadas
como catalizadores para la scr de NOx.
Cuando se emplea junto con NH3 como
agente reductor muestran una mayor eficacia
que el catalizador industrial (WO3,MoO3)
V2O5/TiO2 [3]. Un aspecto interesante es
que no presentan actividad importante para
la oxidación de NH3, ni se desactivan por la
presencia de H2O y de SO2.
Arcillas
pilareadas en procesos de oxidación
avanzados
para
el
tratamiento
de
aguas
residuales
La
contaminación
del
agua
ocurre
fundamentalmente debido a las descargas
industriales, agrícolas y domésticas, las
cuales deberían ser tratadas en las plantas
de tratamiento para obtener una mejor calidad
Figura 3
Ciclo de los óxidos de nitrógeno en el medio ambiente
del agua. Sin embargo, las tecnologías
convencionales de tratamiento de aguas
residuales no son totalmente efectivas para
la eliminación de los contaminantes. Por
este motivo, existe un especial interés en
utilizar tecnologías avanzadas de tratamiento
o depuración de aguas residuales con la
participación de catalizadores sólidos, como
por ejemplo Procesos de Oxidación Avanzada
(poa).
Las arcillas pilareadas se han aplicado
como catalizadores para tratar contaminantes
presentes en aguas residuales, una gran parte
de los estudios se limitan aún a compuestos
modelo como el fenol. En los últimos años ha
aumentado el empleo de los poa catalíticos
aplicados a efluentes reales [4].
Arcillas pilareadas en procesos de adsorción
Hoy en día, los sectores textiles del plástico
y del papel emplean colorantes para teñir sus
productos. Muchos de estos colorantes son
tóxicos y pueden provocar grandes problemas
en los organismos que viven en el medio
acuático. Las aguas residuales que contienen
colorantes son difíciles de tratar dado que
estas moléculas son recalcitrantes, resisten a
la digestión aerobia y son estables a la luz, al
calor y a los agentes oxidantes. La adsorción
proporciona excelentes resultados en la
depuración de colorantes y puede ser utilizada
para tratar varios tipos de ellos. Por esta
razón, y tomando en cuenta las características
texturales de las arcillas pilareadas, hacen
que pueden considerarse como adsorbentes
potenciales para el tratamientos de estos
contaminantes.
Arcillas
pilareadas en reacciones de oxidación
verde
Uno de los objetivos de la química verde es
reducir o eliminar el uso o generación de
sustancias peligrosas en la manufactura de
productos químicos. Las arcillas pilareadas
se han aplicado como catalizadores en
reacciones de oxidación que emplea
conceptos de química verde: como la
síntesis de epóxidos a partir de alquenos y la
oxidación de fenoles [5].
Conclusiones
Las arcillas pilareadas han despertado un gran
interés debido a sus aplicaciones potenciales
en la química verde, además de los excelentes
resultados que han presentado en la reducción
selectiva de óxidos de nitrógeno, así como en
el tratamiento de efluentes líquidos.
Referencias
[1] Barrer, R. M.; MacLeod, D.M.; Trans.
Faraday Soc. 1955, 51, 1290-1300.
[2] Gil, A; Avances en Ciencias e Ingeniería.
2012, 3, 137-148.
[3] Yang, R.T.; Chen, J.P.; Kikkinides, E.S.;
Cheng, L.S.; Cichanowicz, J.E. Ind. Eng.
Chem. Res. 1992, 31, 1440-1445.
[4] Caudo, S.; Centi, G.; Genovese C.; Perathoner,
S. Appl. Catal. B. 2007, 70, 437-446.
[5] Gil, A.; Korili, S.A.; Trujillano, R.; Vicente,
M.A. Pillared Clays and Retaled Catalysts.
Springer: New York. 2010.
Fuente: elaboración propia.
10
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México
11
Remoción de iones utilizando membranas modificadas.
¿Dureza en el agua?
Ions removal using modified membranes. Water hardness?
DEVI REYES-VALDEZ1, HUMBERTO RAFAEL CASTILLO-HUITRON1,
MARÍA MAGDALENA GARCÍA-FABILA1, ROSA MARÍA GÓMEZ-ESPINOSA1*
*Correo electrónico de contacto: rosamarigo@uaemex.mx
Recepción: 18 de marzo de 2014
Aceptación: 1 de julio de 2014
Resumen
Abstract
El agua es uno de los tantos recursos naturales
renovables que nos proporciona la naturaleza y
usamos todos los días en forma individual en la vida
cotidiana, en nuestra familia y en la sociedad, para
nuestro consumo, aseo, uso doméstico e industrial.
Actualmente, existen diversos métodos para la
remoción de iones metálicos de medios acuosos,
uno de los principales es usando membranas
filtrantes modificadas. Los materiales filtrantes son
muy variados, desde compuestos o resinas sintéticas
hasta el uso de materiales naturales, siendo estos
últimos preferibles gracias a su alta disponibilidad y
su baja tasa de contaminación. En el Laboratorio de
Química Inorgánica del cciqs estamos modificando
matrices poliméricas con compuestos naturales con
el fin de utilizarlos en la remoción de iones metálicos
provenientes de agua dura, la cual contiene iones
calcio y magnesio en alta concentración. La
modificación de la superficie de las membranas
es potencialmente la solución más sostenible para
mejorar sus características intrínsecas. La mayoría
de los estudios de modificación se centran en
mejorar la técnica de filtración sin provocar notables
cambios estructurales.
Water is one of most renewable natural resources
that nature provides us and use every day
individually in everyday life, in our family and in
society, for our consumption, toiletries, household
and industrial use. Several methods to removal
of metal ions from aqueous media are used, one
of the most important is the modified membrane
used as a filter. The filter materials are very
different from compounds or synthetic resins,
to natural materials, the latter being preferred
because of its high availability and low rate of
contamination. In the laboratory of Inorganic
Chemistry at cciqs, polymeric matrices have
been modified using natural compounds in order
to removal of metal ions from hard water, which
contains calcium and magnesium ions in high
concentration. The surface modification of the
membranes is potentially the most sustainable
solution to enhance their intrinsic characteristics.
Most studies focus on improving modified filtration
technique without causing significant structural
changes.
Palabras clave: memebranas, filtración,dureza,
iones metálicos.
Keywords: membranes, filtration, harness, metal
ions.
1
Reactivos / Foto: Iván García-Orozco
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
Universidad Autónoma del Estado de México
13
Devi Reyes-Valdez et al.,: Remoción de iones utilizando membranas modificadas. ¿Dureza en el agua?
Introducción
Definición de dureza
Hoy en día uno de los problemas más grandes
que acechan a todos los países del mundo
es la escases de agua, la cual es importante
en la vida cotidiana (bañarse, lavar ropa,
tomar agua, lavar trastes, regar jardines, etc.).
Aproximadamente 97% de agua en el planeta
es agua salada, ésta requiere ser tratada para
poder usarse diariamente. Lamentablemente
los tratamientos de desalinización de agua son
costosos y requieren altas tecnologías. El 3%
de agua dulce es muy limitado y una parte de
ésta es agua dura. La dureza del agua está
dada por una alta concentración de iones calcio
y magnesio, estos iones ocasionan que se
consuma una gran cantidad de detergente (ya
que no hace espuma) y taponamientos en las
tuberías debido a la formación de carbonatos.
Estos problemas han atraído la atención de
algunos investigadores preocupados por
preservar este valioso recurso, así es que
han dirigido su interés en buscar alternativas
de eliminar la dureza, así como en reutilizar
el agua residual (agua compleja, mezcla de
contaminantes orgánicos, inorgánicos, iones
metálicos, etc.), de tal forma que este tipo de
agua pueda utilizarse eficientemente.
En muchas regiones del Estado de México
encontramos comunidades donde el agua que
utilizan cotidianamente es agua dura, aunque no
hace daño al ingerirla, sí ocasiona problemas
económicos. Debido a este problema resulta
importante realizar trabajos de investigación
para eliminar los iones que hacen poco útil
esas aguas. El ion Ca2+ es un elemento
abundante en el agua, por lo que contribuye
de forma muy especial en su dureza. En aguas
naturales suele estar en proporciones de 10 a
250 ppm, el agua de mar contiene alrededor
de 400 ppm1. El ion Na+ también es abundante
en el agua, sus concentraciones normales son
de 10 a 150 ppm [1].
La dureza por definición es conocida como
la oposición que ofrecen los materiales a la
penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura,
las deformaciones permanentes, entre otras.
La dureza se puede medir de dos maneras:
(a) absoluta, utilizando un aparato llamado
durómetro o esclerómetro y (b) relativa,
comparando la dureza del mineral estudiado con
otros de dureza conocida. El segundo método es
más rápido, se efectúa empleando la Escala de
dureza de Mohs que está compuesta por diez
minerales, ordenados correlativamente desde el
más blando (talco) al más duro (diamante): Talco,
Yeso, Calcita, Fluorita, Apatita, Ortosa, Cuarzo,
Topacio, Corindón, Diamante. Para determinar
la dureza se va probando progresivamente
con los distintos minerales de la escala, por
ejemplo, si el mineral problema es rayado por la
fluorita -dureza: 4 y a su vez ese mineral raya a
la calcita -dureza: 3 significa que dicho mineral
tiene una dureza relativa entre 3 y 4.
14
Dureza en el agua
Pero, y el agua… ¿Dureza en el agua? Se trata
de una definición de dureza diferente, como se
mencionó, decimos que un agua es dura cuando
tiene una alta concentración de iones calcio y
magnesio. “En química, se denomina dureza
del agua a la concentración de compuestos
minerales que hay en una determinada
cantidad de agua, en particular sales de calcio,
de magnesio y de hierro (especialmente como
sulfatos y carbonatos hidrogenados), y el grado
de dureza es directamente proporcional a la
concentración de sales alcalinas” [2].
La dureza del agua se mide en grados.
Las sales disueltas de calcio y de magnesio se
reducen a la cantidad equivalente de CaO. Un
grado alemán de dureza significa: un gramo de
CaO disuelto en 100 litros de agua.
Universidad Autónoma del Estado de México
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 13-17
Las concentraciones de calcio y magnesio
existentes (miligramos) por cada litro de agua;
puede ser expresado en concentraciones de
CaCO3. Es decir:
Dureza (mg/l de CaCO3) = 2,50 [Ca++] +
4,16 [Mg++]
Donde:
• [Ca++]: Concentración de ion Ca++
expresado en mg/l.
++
• [Mg ]: Concentración de ion Mg++
expresado en mg/l.
Los coeficientes se obtienen de las proporciones
entre la masa molecular del CaCO3 y las masas
moleculares respectivas: 100/40 (para el Ca++);
y 100/24 (para el [Mg++]).
El agua dura con iones CaCO3, MgCO3,
Fe(OH)3 y CaSO4, no es mala para la salud,
pero afecta en la vida cotidiana, pues al lavar
ropa la dureza de los minerales se combina con
la tierra y crea sales insolubles que son difíciles
de eliminar. Esta combinación puede causarle
daño a las lavadoras, exige un exceso de jabón
o detergente (contaminando más al ambiente);
además las fibras se dañan y la ropa dura en
promedio 40% menos tiempo. Bañarse con
agua dura deja una capa pegajosa de jabón
sobre la piel, la cual le impide a la piel que
regrese a su condición ligeramente ácida, y
puede conducir irritación. En el cabello provoca
que éste se vea sin vida y que sea difícil de
manejar. Al lavar los platos, especialmente en
los lava vajillas, el agua dura causa manchas
sobre la loza. Los minerales del agua se liberan
fácilmente cuando entran en contacto con el
calor de manera que se incrementa los daños a
la vajilla. No causa daños a la salud, pero sí la
calidad de sus utensilios.
Uno de los daños más importantes y que
hace que eliminar la dureza del agua sea un
tema de interés para muchos investigadores
es el daño que este tipo de agua ocasiona en
calderas y tuberías. Cuando el agua se calienta
Universidad Autónoma del Estado de México
crea depósitos de carbonatos de calcio y de
magnesio que afecta su operación. Las tuberías
se tapan con el paso del tiempo, provocando
que el flujo de agua se reduzca, y eventualmente
necesite cambiarse. La cal puede hacer
que la cantidad de agua que se necesita se
incremente en un 25%. Repercutiendo en un
incremento en los gastos de operación, ya
que se debe aumentar la cantidad de agua,
se disminuye la eficiencia de las bombas y se
provoca el deterioro del aparato.
DUREZA TEMPORAL. El agua dura se clasifica
en dos tipos, la que tiene dureza temporal y
dureza permanente. La primera se produce
por carbonatos y puede ser eliminada al hervir
el agua o por la adición del hidróxido de calcio
(Ca(OH)2). El carbonato de calcio es menos
soluble en agua caliente que en agua fría, así
que hervir (que contribuye a la formación de
carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio
fuera de la solución, dejando el agua menos
dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando
la concentración de ácido carbónico disminuye,
con lo que la dureza temporal disminuye, y si
el ácido carbónico aumenta puede incrementar
la solubilidad de fuentes de carbonatos, como
piedras calizas, con lo que la dureza temporal
aumenta. Todo esto se encuentra en relación
con el pH de equilibrio de la calcita y con la
alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de
disolución y precipitación es el que provoca las
formaciones de estalagmitas y estalactitas. Te
invito a que investigues si el agua que utilizas
en tu hogar tiene dureza temporal, después de
hervirla quedará un halo blanco en el contenedor,
después de esto habrás eliminado la dureza.
DUREZA PERMANENTE. O dureza originada
por los sulfatos, es determinada por los iones
sulfatos disueltos en el agua y sólo puede ser
eliminada químicamente. Añadiendo sosa se
flocula el calcio, el cual se recolecta luego en el
fango del fondo del calentador para ser purgado
por una llave. El sulfato sódico que se forma es
fácilmente soluble; el dióxido carbónico ataca la
15
Devi Reyes-Valdez et al.,: Remoción de iones utilizando membranas modificadas. ¿Dureza en el agua?
chapa del calentador cuando supera un grado
determinado de concentración (“ácido carbónico
agresivo”). Un proceso para la eliminación de la
dureza del agua es la descalcificación de ésta
mediante resinas de intercambio iónico. Lo
más habitual es utilizar resinas de intercambio
catiónico que intercambian iones sodio por los
iones calcio y magnesio presentes en el agua.
El ablandamiento del agua por medio de
intercambiadores iónicos orgánicos en la práctica
industrial tiene actualmente mayor importancia,
se intercambian iones alcalinos por los iones de
calcio disueltos en el agua, ablandándola
de esta manera el agua. Una combinación de
intercambiadores iónicos de cationes y aniones
permite una completa extracción de todas las
sales del agua: intercambiador de cationes o
intercambiador de aniones.
Membranas modificadas para remoción de iones
En el Laboratorio de Química Inorgánica
del cciqs, estamos interesados en obtener
materiales modificados (filtros selectivos)
que puedan remover iones metálicos que se
encuentran presentes en agua dura, debido
a que, como ya se mencionó, el uso de agua
dura ocasiona diversos problemas en la vida
cotidiana. Nos interesa realizar Química
Aplicada, que permita resolver problemas
actuales de vital importancia, como es el agua.
Modificación de membrana
El polipropileno es un polímero inerte e
hidrofóbico, sus aplicaciones se ven limitadas
debido a estas características, sin embargo,
cuando se modifica con grupos polares, cambia
su carácter hidrofóbico haciéndose más afín al
agua, lo que permite ampliar su uso, los grupos
polares injertados en la superficie se coordinan
con los iones metálicos presentes en solución,
logrando su remoción, de esta manera se
pretende que los iones presentes en el agua
dura puedan ser eliminados. Un polímero
natural altamente disponible que puede ser
usado en la modificación de membranas es el
quitosano. La quitina se encuentra distribuida
ampliamente en la naturaleza, después de la
celulosa es el polímero natural más abundante.
Particularmente, los exoesqueletos de camarón
contienen una alta concentración de quitina, de la
cual es posible obtener quitosano a través de un
proceso de N-desacetilación [3]. La membrana de
polipropileno se modificó con quitosano, llevando
a cabo una reacción de copolimerización por
injerto, utilizando un fotoreactor. La membrana
modificada se caracterizó por FT-IR-ATR (figura 1).
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 13-17
Remoción de iones metálicos
Referencias
Se realizó la cuantificación previa de los
iones calcio (Ca+2) en las muestras de agua
usando un flamómetro Corning obteniéndose
concentraciones de 188 ppm. La remoción
de los iones en estudio se vio cambiada al
modificar con el copolímero, encontrando una
mayor remoción de iones calcio removiendo
un 35% del ion. Por otro lado, el sodio (Na+1)
fue evaluado en agua, partiendo de un agua
con una concentración inicial de 56 ppm. Los
resultados obtenidos al filtrar agua utilizando
membrana modificada, fueron del 73%.
[1] Calidad del agua. Evaluación y diagnóstico,
Carlos Alberto Sierra Ramírez, Editorial
Universidad de Medellín, enero 2011,
pág. 457, ISBN 9789588692067.
[2] http://www.ecured.cu/index.php/Dureza_del_
agua, consultado en julio 2014.
[3] Valenzuela, C. Arias, J.I. Avances en
Ciencias Veterinarias. 2012, 27, 33-47.
Conclusiones
Las membranas modificadas con el biopolímero
mostraron la remoción de los iones Ca2+ y Na1+
de medios acuosos, puesto que se observó
una disminución significativa en las muestras
analizadas. Lo anterior se puede explicar
debido a la presencia de grupos polares en el
biopolímero, los cuales se coordinan con los
cationes Ca2+ y Na1+.
Figura 1
Espectros infrarrojo de (A) membrana de polipropileno sin modificar y (B) membrana de polipropileno
modificada con quitosano, donde se observan los picos característicos del carbonilo (1700cm-1) y de las
aminas (3400cm-1 y 1640cm-1)
Fuente: elaboración propia.
16
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México
17
Procesos enzimáticos en el Laboratorio de Ingeniería
Química
Enzymatic processes in the Chemical Engineering Lab
RUBI ROMERO-ROMERO1, REYNA NATIVIDAD-RANGEL1,
LETICIA XOCHITL LÓPEZ-MARTÍNEZ1, RAMIRO BAEZA-JIMÉNEZ1*
*Correo electrónico de contacto: ramirobaezajimenez@gmail.com
Recepción: 18 de marzo de 2014
Aceptación: 1 de julio de 2014
Resumen
Abstract
Las enzimas tienen un gran poder catalítico, a
menudo muy superior al de los catalizadores
sintéticos o inorgánicos. Poseen un elevado
grado de especificidad respecto a sus sustratos,
aceleran espectacularmente las reacciones
químicas y funcionan en soluciones acuosas en
condiciones muy suaves de temperatura y pH.
Hay pocos catalizadores no biológicos que tengan
todas estas propiedades. Por ello, el Laboratorio
de Ingeniería Química del Centro Conjunto de
Investigación en Química Sustentable uaemunam, perteneciente a la Facultad de Química
de la uaem, ha iniciado el desarrollo de procesos
enzimáticos con aplicaciones en energía y
alimentos.
Enzymes have extraordinary catalytic power,
often far greater than that of synthetic or
inorganic catalysts. They have a high degree
of specificity for their substrates, accelerate
chemical reactions tremendously, and function
in aqueous solutions under very mild conditions
of temperature and pH. Little no biological
catalysts have all these properties. Therefore,
at the Chemical Engineering Laboratory of
Centro Conjunto de Investigación en Química
Sustentable uaem-unam belonging to Facultad de
Química of uaem, has started the development
of enzymatic processes for energy and food
applications.
Palabras clave: enzimas, ingeniería química,
energía, alimentos.
Keywords: enzymes, chemical engineering,
energy, food.
1
Cromatógrafo de gases / Foto: Iván García-Orozco
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
Universidad Autónoma del Estado de México
19
Rubi Romero-Romero et al.,: Procesos encimáticos en el Laboratorio de Ingeniería Química
Introducción
En términos generales, un catalizador es una
sustancia que aumenta la rapidez o la velocidad
de una reacción química, sin verse alterada ella
misma en el proceso global. Las enzimas son
catalizadores biológicos de naturaleza proteica,
implicadas en la regulación de la bioquímica
celular de los organismos. La catálisis enzimática
es esencial para hacer que la mayor parte de
las reacciones bioquímicas de importancia
crucial se produzcan en condiciones fisiológicas
a velocidades útiles.
En el complejo medio celular, son posibles
numerables reacciones termodinámicamente
favorables. La célula aprovecha la especificidad
de las enzimas para canalizar las sustancias
hacia rutas que sean útiles, en lugar de
reacciones colaterales no productivas. Además,
las enzimas están reguladas, ya que en casi
todos los casos, las actividades de las enzimas
pueden controlarse, de manera que se module la
producción de distintas sustancias en respuesta
a las necesidades de la célula y del organismo.
Enzimas
Los catalizadores biológicos se reconocieron
y fueron descritos por primera vez a finales
del siglo xviii, en estudios sobre la digestión
de la carne por secreciones del estómago; la
investigación continuó a principios del siglo xix,
examinando la conversión del almidón en azúcar
por la saliva y diversos extractos vegetales.
Hacia 1850 Louis Pasteur llegó a la conclusión
de que la fermentación del azúcar a alcohol por
la levadura estaba catalizada por “fermentos”.
Postuló que tales fermentos son inseparables
de la estructura de las células de levaduras
vivas. El descubrimiento de Eduard Buchner en
1897 de que los extractos de levadura pueden
fermentar el azúcar a alcohol demostró que las
moléculas que intervienen en la fermentación
20
pueden continuar funcionando cuando se
separan de la estructura de las células vivas.
Frederick W. Kühne las denominó moléculas
enzimas [1].
Las enzimas son catalizadores biológicos que
aumentan las velocidades de los procesos
bioquímicos mientras se mantienen inalteradas.
Con la excepción de un pequeño grupo
de moléculas de rna (ácido ribonucleico)
catalítico, todas las enzimas son proteína. Su
actividad catalítica depende de la integridad
de sus conformación proteica nativa [1].
Si se desnaturaliza o disocia una enzima
en sus subunidades, se pierde la actividad
catalítica. Si se descompone una enzima en
sus aminoácidos constituyentes, siempre se
pierde la actividad catalítica. Así, las estructuras
primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de
las proteínas enzimáticas son esenciales para
su actividad.
Algunas enzimas no requieren para
su actividad catalítica más que los grupos
funcionales que se encuentran en sus residuos
aminoácidos. Pero otras, requieren un
compuesto químico adicional, llamado cofactor.
Este compuesto puede ser uno o varios iones
inorgánicos, como Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+,
o una molécula orgánica o metalorgánica
compleja denominada coenzima [1]. El sitio en
el que la enzima reconoce al sustrato se conoce
como sitio activo, aquí ocurre la formación del
complejo enzima-sustrato y la consecuente
liberación de productos.
Las enzimas se clasifican de acuerdo al tipo
de reacción que catalizan y su nombre hacía
alusión al sustrato sobre el que actúa e incluye
el sufijo “asa”. De esta manera, la clasificación
internacional de enzimas reconoce seis clases:
oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas,
liasas, isomerasas y ligasas [1].
Universidad Autónoma del Estado de México
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 19-22
Procesos
enzimáticas
en
ingeniería
química:
Procesos enzimáticas en ingeniería química: lípidos
biodiesel
estructurados
Dentro de las líneas de investigación que se
manejan en el Laboratorio de Ingeniería Química
del Centro Conjunto de Investigación en
Química Sustentable uaem-unam perteneciente
a la Facultad de Química de la uaem, se tiene
la síntesis de biodiesel y prueba de ello son las
publicaciones generadas (artículos en revistas
indizadas y capítulos de libros) por la Dra. Rubi
Romero Romero y la Dra. Reyna Natividad
Rangel, mediante catálisis heterogénea.
Sin embargo, un nuevo alcance a esta
línea de investigación es la síntesis enzimática
de biodiesel. La catálisis enzimática aplicada
a la obtención de biodiesel ofrece ciertas
ventajas ambientales y económicas sobre los
proceso químicos convencionales: (a) bajas
temperaturas de reacción, (b) la enzima puede
reutilizarse, (c) la alta especificidad de la
enzima, (d) en un mismo proceso la enzima
puede llevar a cabo reacciones de esterificación
y transesterificación y (e) fácil separación y
recuperación de los productos [2-5].
Aunado a las ventajas de la catálisis
enzimática, otro aspecto relevante de este
nuevo alcance de investigación es el empleo de
las denominadas materias primas de segunda
generación. Este tipo de materias primas
incluye al aceite usado de cocina y grasas o
cebos de animales. Este interés resulta de no
emplear aceites vegetales que normalmente
han sido producidos para ser consumidos
como parte de la dieta. Los primeros resultados
de esta investigación se han presentado
en el xxxv Encuentro Nacional de la amidiq,
celebrado en mayo del año en curso y se ha
enviado el manuscrito correspondiente a la
revista Chemical Engineering Processing para
su publicación.
Siguiendo la pauta de la modificación de grasas
y aceites, la nueva línea de investigación
del Laboratorio de Ingeniería Química es la
síntesis de lípidos estructurados. Al igual que
para el biodiesel, las enzimas a emplear son
las denominadas lipasas, que de acuerdo con
la clasificación internacional de las enzimas
pertenecen al grupo de las hidrolasas.
Para desarrollar esta nueva línea de
investigación, estudiaremos los diferentes
aspectos que afectan estas reacciones
enzimáticas en semillas endémicas, para la
obtención de los aceites correspondientes.
Para obtener estos lípidos estructurados, nos
valdremos de la especificidad de las enzimas en
modificar los ácidos grasos presentes y de esta
manera, incorporar un ácido graso de beneficio
a la salud, como los ampliamente conocidos
omega 3 u omega 6. La experiencia que se tiene
en este campo, ha sido previamente presentada
y publicada por la Dra. Leticia Xochilt López
Martínez y el Dr. Ramiro Baeza Jiménez [6,7].
Universidad Autónoma del Estado de México
21
Rubi Romero-Romero et al.,: Procesos encimáticos en el Laboratorio de Ingeniería Química
Cáscara de naranja para remoción de contaminantes en agua
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Orange peel for water contaminants removal
LILIÁN GALINDO-GÓMEZ1, MICHELLE IGNACIO CUENCA-GONZÁLEZ1,
ALFREDO RAFAEL VILCHIS-NÉSTOR1, GUSTAVO LÓPEZ-TÉLLEZ1*
*Correo electrónico de contacto: glopezt@uaemex.mx
Recepción: 18 de marzo de 2014
Aceptación: 1 de julio de 2014
Resumen
Abstract
Una de las problemáticas ambientales actuales
de mayor interés es la contaminación del
agua, ésta puede ocurrir por muchos factores,
principalmente debido a la actividad humana
en la forma de desechos de tipo orgánico e
inorgánico, derivado de su uso como agente
de limpieza o en procesos industriales muy
específicos. Dentro de estos contaminantes
destacan por su peligrosidad los metales
pesados (Cr, Pb, Hg), y los colorantes como el
azul índigo, rojo carmín, remazol, etc. Aunque se
han desarrollado métodos para la remediación
de los contaminantes mencionados, los procesos
son costosos debido a los materiales utilizados,
resinas de intercambio iónico, membranas para
microfiltración, o agentes químicos usados
para separar los elementos indeseables. Con
base en lo anterior se propone una alternativa,
utilizando material de desecho, como la cáscara
de naranja y nanopartículas metálicas, en forma
de un material compuesto de fácil fabricación y
bajo costo.
Water pollution is a research area of
considerable interest, as a consequence of
human activity, related to municipal, rural and
industrial uses. The most hazardous materials
present in water are heavy metals (Cr, Hg, Pb)
and several dyes. Despite the development
of methods aimed to reduce or eliminate this
pollutants, they have high costs and difficult
on site application, mainly because the high
cost to achieve a good performance, and
their subsequent separation from the aqueous
media, which require additional procedures. An
interesting alternative is proposed in this work,
using a material often considered as waste, as
orange peel with metallic nanoparticles, which
form a composite material with the advantage
of being easily separated through simple
filtration techniques.
Palabras
clave:
materiales
compuestos,
nanopartículas, remediación de agua.
Keywords: composites, nanoparticles, water
remediation.
1
22
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
Universidad Autónoma del Estado de México
23
Lilián Galindo-Gómez et al.,: Cáscara de naranja para remoción de contaminantes en agua
Introducción
¿Por qué cáscara de naranja?
Uno de los recursos imprescindibles para la vida
es el agua. De acuerdo con la Organización
Mundial para la Salud (oms) [1], 97.5% del
agua presente en el planeta es agua salada,
y tan sólo 2.5% es agua dulce, pero 70% de
ella permanece congelada en casquetes
polares y glaciares, y sólo 30% restante se
encuentra en suelos o en mantos acuíferos.
Aproximadamente, el agua disponible para uso
humano comprende sólo 1% del agua total en
el planeta. Si a esto se le suma la actividad
industrial, agrícola y doméstica, la cual ha
aumentado la demanda de agua, y al mismo
tiempo la generación de aguas residuales, se
comenzará a entender la necesidad imperiosa
por encontrar métodos de remediación que
sean económicos, viables a gran escala y
de fácil implementación, de manera que sea
posible reciclar de forma segura, sustentable y
amigable con el medio ambiente [2]. Los datos
presentados por la Organización Mundial de la
Salud [3] son preocupantes, se estima que 1.1
billones de personas no tienen instalaciones
adecuadas para proveerles de agua potable.
También se estima que para la mitad de este
siglo pueden llegar a ser hasta 7 billones de
personas en hasta 60 países las que sufran
carencia de agua. Dentro de las alternativas de
tratamiento, ha crecido el interés de diversos
grupos de investigación por los adsorbentes de
bajo costo, especialmente los que estén basados
en materiales naturales locales o que sean
considerados como desechos de actividades
rurales, agrícolas o incluso industriales. La
propuesta presentada aquí consiste en el uso
de cáscara de naranja como una alternativa de
bajo costo, sustentable y amigable con el medio
ambiente para la formación de materiales
compuestos, por medio de la incorporación de
nanopartículas metálicas, formando una sinergia
que permita remediar distintos contaminantes
presentes en aguas residuales.
Existen varias razones para proponer la cáscara
de naranja como la base para la formación del
material compuesto, México ocupa el 4º lugar
a nivel mundial en producción de naranja, con
una producción que rebasa los 4 millones de
toneladas al año [4], considerando que una
vez usado el fruto, la cáscara es desechada, y
que sólo ocasionalmente se usa para fabricar
medicamentos de tipo natural, se tendría
abundante materia prima que además sería de
muy bajo costo y permitiría darle uso sustentable
a un material que de otra manera sería tirado a
la basura.
24
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 23-27
que para cada ion metálico, el tiempo óptimo
de contacto requerido para obtener el material
compuesto con nanopartículas metálicas varía,
así como el uso o no de un agente reductor
que acelere la reducción química de los
iones metálicos. En trabajos recientes, se ha
determinado que la cáscara de naranja tiene
la capacidad de funcionar como soporte de las
nanopartículas, mientras que la reducción corre
a cargo de un agente reductor como el NaBH4,
incluso es posible que la misma cáscara funcione
como soporte y agente reductor, aunque el
tiempo de contacto necesario aumenta. Cuando
no se usa un agente reductor externo, se
descubrió que la morfología y la eficiencia en
la reducción y remoción de Cr(VI) mejora [5,6].
Formación de material compuesto
Para la obtención del material compuesto,
la cáscara de naranja se separa de la pulpa
residual y es molida hasta obtener un polvo muy
fino como el talco, aunque el material puede
ser utilizado en tamaños más grandes, incluso
en cuadros de 5 x 5 mm2, se prefiere la mayor
área superficial efectiva obtenida al tener el
polvo. Se vuelve necesario hacer lavados con
una solución de etanol al 10% para remover la
coloración inherente, una vez que la solución
mencionada deja de colorearse, el material
se seca y almacena. Es posible obtener
materiales compuestos a base de cáscara de
naranja con distintas nanopartículas metálicas,
como son: óxidos de hierro, zinc, plata, cobre,
y posiblemente oro. El procedimiento de
obtención del material compuesto destaca por
su sencillez. Se requiere preparar una solución
precursora del ion metálico que deseamos
incorporar a la cáscara, por ejemplo: FeSO4
para iones hierro, o AgNO3 para iones plata. Las
soluciones empleadas usualmente son de una
concentración muy baja (10-2M). Lo siguiente
es poner en contacto la cáscara de naranja con
la solución mencionada. Es importante destacar
Universidad Autónoma del Estado de México
Caracterización del material compuesto
Para caracterizar el material compuesto se
requiere de técnicas que permitan observar
detalles microscópicos en el rango de
nanómetros y micrómetros, de manera que
sea posible identificar cambios en la morfología
de la cáscara de naranja e identificar la forma y
dimensiones de las nanopartículas metálicas. Lo
anterior se logra con microscopios electrónicos
de barrido (meb) y de transmisión (met) (figuras
1 y 2), adicionalmente estos equipos pueden
contar con una sonda para el análisis de la
energía de rayos X generados de la interacción
de electrones con la muestra, lo que permite
identificar elementos presentes en la misma.
Esta técnica recibe el nombre de espectroscopia
por dispersión de energía de rayos X (eds).
Figura 1
Microscopio electrónico de barrido y un ejemplo de una imagen de la
superficie de cáscara de naranja con aglomerados de partículas metálicas
Fuente: elaboración propia.
Figura 2
Microscopio electrónico de transmisión y ejemplo de una micrografía que
muestra nanorodillos de magnetita
Fuente: elaboración propia.
Universidad Autónoma del Estado de México
25
Lilián Galindo-Gómez et al.,: Cáscara de naranja para remoción de contaminantes en agua
De manera adicional se utiliza una técnica
llamada espectroscopia fotoelectrónica de
rayos X (xps) (figura 3), que permite identificar
los elementos presentes en la superficie del
material compuesto, ya sea antes o después
de su contacto con Cr(VI). Pero lo más
interesante es la capacidad que tiene esta
técnica de proveer información acerca del
ambiente químico de cada elemento, lo anterior
permite conocer el estado de oxidación de
un elemento detectado en la superficie. En el
caso del contacto del material compuesto con
una solución acuosa de Cr(VI), se observa un
cambio notable en la señal asociada a Cr(VI), la
cual disminuye totalmente después del contacto
y aparece ahora una señal correspondiente a
Cr(III), indicando que se está llevando a cabo
una reducción en la superficie del material, tal
vez igual de importante, que el Cr reducido
permanece allí adsorbido en la superficie, lo
anterior permitiría que con una simple filtración
se separe el material compuesto sólido del medio
acuoso, extrayendo también de esta manera el
Cr reducido. Aunque existen más técnicas útiles
para la caracterización del material compuesto,
sin embargo, se han mencionado las más
importantes.
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 23-27
Utilidad del material compuesto
Referencias
Estudios iniciales [5, 6] mostraron una capacidad
de reducción y remoción de Cr(VI) cercanas al
100%, y una capacidad máxima de adsorción
de 7.5 mg de Cr(VI) por cada gramo de material
compuesto utilizado. Además es posible utilizar
el mismo material varias veces en remoción
antes de tener que retirarlo del medio. Estudios
que se están llevando a cabo actualmente por
nuestro grupo de investigación está ampliando la
aplicación a otro metal pesado como es el plomo,
además de probar la degradación de colorantes
como el azul índigo, e inclusive, la capacidad
del material compuesto con nanopartículas de
plata para eliminar Escherichia coli presente en
solución acuosa. Los resultados apuntan a que
es factible el uso de materiales compuestos a
base de cáscara de naranja y nanopartículas
metálicas para la remoción de contaminantes
presentes en solución acuosa, tanto metales
pesados, como colorantes e incluso bacterias.
El futuro inmediato requiere de propuestas de
remediación de agua que tengan un bajo costo,
fácil disponibilidad de materias primas y procesos
que sean simples de aplicar, sustentables y
amigables con el medio ambiente, como el uso
de los materiales compuestos mencionados en
este artículo.
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http://www.who.int/docstore/water sanitation
health/vector/water resources.html.
[2] United Nations World Water Development
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shtml.
[3] World Health Organization and unicef. Water
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http://www.who.int/water sanitation health/
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[4] Servicio de Información y Estadística
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2011, 173, 480-485.
[6] G López Téllez, P Balderas-Hernández, C
E Barrera-Díaz, A R Vilchis-Nestor, G RoaMorales, and Bryan Bilyeu. J. Nanosci.
Nanotechnol. 2012, 12, 1-8.
Figura 3
Equipo de xps y ejemplo de un resultado correspondiente a la región 2p3/2 del Hierro
Fuente: creación del autor.
26
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México
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Alfredo Rafael Vilchis-Nestor: El pitufo dorado
El pitufo dorado
The golden smurf
ALFREDO RAFAEL VILCHIS-NESTOR1*
*Correo electrónico del contacto: arvilchisn@uaemex.mx
Recepción: 18 de marzo de 2014
Aceptación: 1 de julio de 2014
Resumen
Abstract
La fascinación por el oro se extiende por miles de
años, jugando un papel importante en casi todas
las civilizaciones. Ha sido una manera de expresar
la riqueza, la causa de las guerras y conquistas, la
devoción religiosa independientemente de la
religión y también se le ha relacionado como una
forma de expresar el amor. El oro se ha conectado
directamente con el Sol y la Realeza por su brillo,
su color, su incorruptibilidad y su escasez. Su gran
maleabilidad lo hace fácil de trabajar, aunque hoy
en día podemos explicar este comportamiento en
términos de propiedades ópticas, mecánicas y
químicas. No obstante, los científicos recientemente
han encontrado un nuevo interés por el oro
cuando se divide en granos minúsculos, llamados
nanopartículas. Este entusiasmo científico por las
nanopartículas de oro se inició en diversos campos
de la ciencia a mediados de 1980, de la misma
forma en que Richard Feynman en 1959 predijo
que sucedería por el potencial de aplicaciones
novedosas, en estructuras con dimensiones
nanométricas. Sin embargo, la predicción temprana
de las inusuales propiedades de nanoestructuras de
oro, se podría haberse hecho antes que Feynman
pudiera imaginárselas siquiera, claro, si el mundo
fuera un dibujo animado.
The fascination with gold is a story which spans
millennia and this metal has played a role in almost
all civilizations. It has been a way of expressing
wealth, the cause of wars and conquest, it has
often been related to religious devotion, and
has been linked with our most intimate feelings
as a way to expressing love. Gold have been
connected to the image of the Sun and Royalty
due the its brightness, color, incorruptibility and
scarcity, and also its great malleability, although
nowadays we explain this behavior in terms of
optical, mechanical and chemical properties,
Nevertheless scientists have recently found a
new interested for gold when it is divided into
minuscule grains, called nanoparticles. This
scientific enthusiasm towards gold nanoparticles
started in various fields of science in the middle
of 1980, as Richard Feynman predicted in 1959,
however an early prediction of the unusual
properties of gold nanostructures could have
been made, if the world were a cartoon.
Palabras clave: nanopartículas, oro, nanoestructuras.
Keywords: nanoparticles, gold, nanostructures.
1
28
El ligante / Foto: Iván García-Orozco
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
Universidad Autónoma del Estado de México
29
Alfredo Rafael Vilchis-Nestor: El pitufo dorado
A pesar de que el concepto de nanotecnología no
está por completo definido y sus implicaciones
en el desarrollo de la humanidad son apenas
vislumbradas, la palabra nanotecnología resulta
indisolublemente ligada a Richard Feyman
(1918-1988) quien el 29 de diciembre de 1959,
varios años antes de recibir el Premio Nobel
de Física, durante el encuentro anual de la
American Physical Society, en el Instituto
de Tecnología de California en Pasadena,
pronunció una conferencia con el sugerente
título “Hay mucho espacio en lo pequeño”
(“There is plenty of room at the bottom”) donde
puso los pilares de lo que más tarde se conocería
como nanotecnología. En esta mítica conferencia,
Feynman (figura 1) trató sobre cómo manipular,
controlar y fabricar objetos de muy pequeñas
dimensiones, abordando el problema desde una
perspectiva absolutamente distinta a como se
había hecho hasta el momento y abriendo todo
un nuevo mundo de posibilidades. Así pues, el
crédito como “Padre de la Nanotecnología” es
aceptado entre la comunidad científica.
Sin embargo, un año antes, el 23 de
octubre de 1958, el dibujante belga Peyo en la
historieta “La flauta de los seis pitufos” (La Flûte
à Six Schtroumpfs) de la serie Johan y Pirluit,
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 29-33
publicó en el semanario Le Journal de Spirou,
la tira cómica en donde creó a los Pitufos y
con ellos un personaje que en el mundo de
las historietas fue el primer nanotecnólogo:
Gargamel, el equivalente a Feynman (con
todas las salvedades del caso) en el mundo
de fantasía. ¿O de qué otra forma se explica
que supiera que el oro en dimensiones
nanométricas tiene color azul? ¿Y que si une
muchas partículas azules (dígase pitufos)
obtendría oro en su clásico y brillante color
amarillo? Gargamel, el antagonista y villano
principal de la historieta de los pitufos, es
un monje expulsado de su orden debido
por su intención de enriquecerse mediante
la alquimia (figura 1). Vive junto a su gato
Azrael, en una pequeña ermita abandonada
en medio del bosque, donde viven los pitufos,
y su máximo afán es capturarlos a toda costa.
Aunque en un primer momento quiere hacerlo
para obtener la piedra filosofal, incluso en
algunos episodios de la serie, Gargamel
afirma necesitar a los pitufos para fabricar oro,
aunque en otros simplemente desea echarlos
a la olla (esto último también podría suceder
en un laboratorio de investigación cuando los
experimentos no salen como uno esperaba) [1].
Uno de los materiales que más fascinación ha
causado al hombre, y prácticamente desde
el origen de la civilización lo ha acompañado,
es el oro. El Au es el elemento químico con
número atómico 79, situado en el grupo 11 de
la tabla periódica. Sus propiedades como metal
son asombrosas: es un excelente conductor
eléctrico, muy maleable y químicamente “inerte”
en comparación con otros metales, además de sus
propiedades no intrínsecas a él, como el absurdo
valor que se le da por ser “bonito” (figura 2). Por
estas y otras razones se le ha buscado desde
siempre y se continuará haciéndolo a pesar de
los serios conflictos que ha provocado entre
humanos. Incluso fue la motivación de los
alquimistas para “jugar” con las sustancias a
su alcance, con el objetivo de transformar la
materia en oro, dando el humilde origen de la
poderosa Química actual [1].
Podría entonces decirse que ya se debería
conocer todo sobre este metal de enigmático
color amarillo, que no podría sorprendernos
con una característica no observada antes, a
diferencia de otros elementos recientemente
descubiertos. Nada más erróneo. Fue el
desarrollo de nanotecnología el que demostró
que el oro cambia cuando sus dimensiones
están en el régimen de los nanómetros, así
pues se alteran sus propiedades mecánicas,
térmicas, catalíticas y ópticas, debido a que
los átomos en la superficie de las estructuras
nanométricas dominan su comportamiento
sobre aquellos que están en el interior. De
esta forma, el oro “inerte”, se vuelve altamente
reactivo cuando posee dimensiones de menos
de 10 nm de diámetro, y puede actuar como
catalizador altamente eficiente en la oxidación
de CO. Ópticamente pierde su exclusivo color
amarillo para adquirir un color azul o rojo, tal
como Gargamel predijo que pasaría, con los
pitufos por supuesto (figura 3).
Figura 2
Nanopartículas de oro transformándose en un lingote
Figura 1
A) Richard Feyman (1918-1988), Premio Nobel de Física 1965, durante un seminario en el Instituto de Tecnología
de California. B) Gargamel, dibujo animado, antagonista de los pitufos, leyendo la receta para fabricar oro.
Fuente: creación del autor.
Figura 3
Origen del pitufo dorado
Fuente: elaboración propia.
30
Fuente: elaboración propia.
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México
31
Alfredo Rafael Vilchis-Nestor: El pitufo dorado
Las propiedades ópticas de los nanomateriales
metálicos están relacionados directamente
con la estructura de su banda electrónica. Por
ejemplo, el borde de la banda electrónica se ve
más afectada por confinamiento cuántico que en
un semiconductor o en un aislante (figura 4). Las
nanoestructuras metálicas tienen una fuerte
absorción de la luz y la dispersión en la región
del visible. Los metales se caracterizan por la
presencia de electrones libres, que pueden ser
promovidos a niveles de energía vacíos, a través
de la absorción de fotones de baja energía.
Las propiedades ópticas de las nanopartículas
metálicas en la región visible son dominadas por
la resonancia de plasmón superficial o plasmon.
La resonancia de plasmón superficial es un
fenómeno causado por la oscilación colectiva
de los electrones de la banda de conducción
como respuesta a una radiación ejercida sobre
ésta, a través de un campo eléctrico externo
(figura 4).
Figura 4
Comparación de la estructura de la banda electrónica
de nanopartículas metálicas (izquierda) contra
un nanomaterial semiconductor (derecha). El
color morado representa los estados electrónicos
ocupados y el verde, los estados electrónicos vacíos
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 29-33
Este fenómeno puede ser descrito gracias a las
fórmulas matemáticas propuestas por Gustav
Mie para sistemas coloidales esféricos, sin
embargo, las omitiré del presente escrito para
que el lector no se vea tentado a cazar pitufos
en lugar de seguir leyendo, pero que están
muy bien descritas en las referencias [2,3]. Sin
embargo, esta es la causa de que el oro tenga
propiedades ópticas especiales cuando tiene
dimensiones nanométricas (figura 5).
Figura 6
Nanopartículas de oro con diferentes tamaños y respuesta óptica (Plasmón)
Figura 5
Plasmón superficial
Fuente: imagen tomada de la referencia [4].
El plasmón proporciona un poderoso medio
de confinamiento de la luz en interfaces de
metales/dieléctricos, que a su vez pueden
generar intensos campos electromagnéticos
locales y amplificar significativamente señales
de técnicas analíticas que se basan en la luz,
como dispersión Raman. Con los plasmones,
las señales fotónicas pueden ser manipulados a
escala nanométrica, lo que permite el diseño de
dispositivos electrónicos, sensores ópticos más
poderosos y dispositivos optoelectrónicos aún
más pequeños y eficientes. Sin embargo, para
beneficiarse de las propiedades plasmónicas
del oro, se deben contar con nanoestructuras
metálicas con un eficiente control morfológico y
de tamaño (figura 6).
Fuente: imagen tomada de la referencia 3.
Esto es sólo un ejemplo de lo que en algún
momento lo que parecía ser sólo un sueño
surgido de la mente de un científico (R.
Feynman), incluso semejante al sueño de
Gargamel. El paso del tiempo ha demostrado
que era posible convertirlo en una realidad,
gracias a la ciencia y al esfuerzo continuo de
muchos científicos que como una divertida
analogía han encontrado el pitufo dorado. En
conclusión podríamos decir que: ¡El tamaño sí
importa! Al menos cuando se trata de partículas
de oro y de pitufos.
Fuente: imagen tomada de referencia [3].
Dichas oscilaciones de electrones superficiales
poseen una función dieléctrica que al contacto
con un haz incidente de la misma frecuencia
entra en resonancia, absorbiendo energía [3].
32
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México
Referencias
[1] https://es.wikipedia.org/wiki/Los_Pitufos,
consultada el 1 de febrero de 2014.
[2] C. Louis and O. Pluchery, “Gold Nanoparticles:
For Physics, Chemistry and Biology”, Imperial
College Press, London, 2012, 1-25.
[3] J. Z. Zhang, “Optical Properties and Spectroscopy of nanomaterials”, World Scientific
Publishing Co., London, 2009, 11-18, 205218.
[4] C. Noguez, “Surface Plasmons on Metal
Nanoparticles: The Influence of Shape and
Physical Environment”, J. Phys. Chem. C.
2007, 111, 3806-3819.
[5] N. Torres-Gómez, “Ligantes ditiocarbamato
de cadena larga en la preparación de
nanopartículas de cobre”, Tesis de Maestría,
2014, 19.
33
Claudia Rosales-Landeros, Carlos Eduardo Barrera Díaz: Generalidades del cromo
Generalidades del cromo
Chrome overviews
CLAUDIA ROSALES-LANDEROS1, CARLOS EDUARDO BARRERA-DÍAZ1*
*Correo electrónico de contacto: cd0044@yahoo.com
Recepción: 18 de marzo de 2014
Aceptación: 1 de julio de 2014
Resumen
Abstract
El cromo es un elemento que se encuentra en
los minerales como la cromita y la crocoita, sus
estados de oxidación más comunes son el cromo
trivalente y el hexavalente. El uso excesivo de
compuestos de cromo en diferentes procesos
industriales como el cromado, la producción de
cemento, pigmentos, fabricación del acero, el
curtido de piel y textiles, ha generado una gran
cantidad de residuos, los cuales son descargados
al ambiente ocasionando serios problemas y
riesgos en la salud humana.
Chromium is an element found in minerals such
as chromite and crocoite, its most common
oxidation states are trivalent and hexavalent.
Excessive use of chromium compounds
in various industrial processes such as
plating, cement production, pigments, steel
manufacturing, leather and textiles tanning, has
generated a large amount of residues, which
are discharged into the environment, causing
serious problems and risks to human health.
Palabras clave: metales pesados, cromo.
Keywords: heavy metals, chromium.
1
34
Extracción / Foto: Iván García-Orozco
Universidad Autónoma del Estado de México
Universidad Autónoma del Estado de México, México.
Universidad Autónoma del Estado de México
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Claudia Rosales-Landeros, Carlos Eduardo Barrera Díaz: Generalidades del cromo
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 35-39
Introducción
Características fisicoquímicas
El agua es uno de los compuestos más
abundantes en la naturaleza, cubriendo
aproximadamente tres cuartas partes de la
superficie terrestre. A pesar de su aparente
abundancia varios factores limitan la cantidad
de agua disponible para el consumo humano.
Un abastecimiento de agua adecuado, en
términos de cantidad y calidad, es esencial
para la existencia humana. Las actividades
humanas pueden influir en la calidad del agua
en diversas formas, incluyendo la descarga de
aguas de desechos municipales, industriales
y agrícolas a las aguas superficiales y
subterráneas, adicionando contaminantes de
diversa índole, como: sustancias químicas,
biológicas, biodegradables y no biodegradables.
El Cr es el sexto elemento en abundancia en
la corteza terrestre, donde comúnmente se
encuentra como óxido (Cr2O3). El cromo es
un metal de color blanco plateado, duro y
quebradizo. Sin embargo, es relativamente
suave y dúctil cuando no está tensionado o
cuando está muy puro. La figura 1 muestra las
propiedades fisicoquímicas del cromo [2].
Figura 2
Diagramas de distribución de especies de Cr(VI) obtenidas mediante el Software Hydra-MEDUSA. Apariencia
física de dicromato de potasio, cromato de potasio y óxido de cromo (III)
Figura 1
Propiedades fisicoquímicas del cromo
Contaminación del agua por metales pesados
Los metales pesados son de los principales
contaminantes del agua, entre ellos se encuentra
el cromo hexavalente, el cual presenta una
mayor movilidad a través del suelo y ambientes
acuáticos. Es un agente oxidante capaz de ser
absorbido a través de la piel. El cromo es un
metal que ha sido integrado en el listado de
sustancias tóxicas de la Agencia de Protección
al Ambiente (epa, por sus siglas en inglés) y
el cromo hexavalente fue clasificado desde
2008 como un agente carcinogénico por el
Departamento de Salud y Servicios Humanos y
la Agencia de Sustancias Toxicas y Registro de
Enfermedades de Estados Unidos de América,
ya que se encuentra asociado con el cáncer de
pulmón, además se ha encontrado que hay una
relación directa entre la exposición ocupacional
al Cr(VI) y algunos casos de cáncer del sistema
gastrointestinal y nervioso central [1].
36
Fuente: Lenntech. Chemical properties of chromium en http://
www.lenntech.com/periodic/elements/cr.htm/, consultado el 14 de
abril de 2013.
Los estados de oxidación del cromo comúnmente
encontrados en la naturaleza son Cr(III) y Cr(VI).
Su nombre proviene del griego chromos que
significa “color” y se debe a los vivos colores de
sus compuestos. La forma más común del Cr(III)
son sales poco solubles con baja toxicidad. El
Cr(VI) se encuentra principalmente bajo la forma
de los oxianiones como bicromato (HCrO4-),
cromato (CrO42-), y dicromato(Cr2O72-) [3]. La
distribución de especies, así como la variedad
de colores se observa en la figura 2.
Universidad Autónoma del Estado de México
Fuente: elaboración propia.
Usos del cromo
El cromo se utiliza principalmente en la industria
curtiembre debido a la calidad del cuero que se
genera. Las sales de cromo producen un curtido
más uniforme y rápido. La dificultad que presenta el
uso de sales de cromo en el curtido, es la cantidad
de curtiente que no se fija y que permanece en los
flujos y los lodos de depuración [1].
El recubrimiento con cromo es muy
resistente a los agentes corrosivos atmosféricos,
debido a que sobre su superficie, al ser expuesto
inmediatamente al aire se forma una película
delgada de óxido, que previene el posterior
ataque del medio ambiente. El electrólito
tradicionalmente utilizado para la obtención
Universidad Autónoma del Estado de México
de recubrimientos con cromo ha sido el ácido
crómico, en el que el ión metálico está en forma
de cromo hexavalente y se le añade como
catalizador ácido sulfúrico [4].
Fuentes de exposición
Hoy en día existe cromo en sus diversas
formas en todas las ramas industriales en
mayor o menor cantidad, así como en muchos
productos de uso doméstico. Desde un punto
de vista industrial, el cromo y sus compuestos,
los sectores industriales de mayor utilización se
muestran en la figura 3 [5].
37
Claudia Rosales-Landeros, Carlos Eduardo Barrera Díaz: Generalidades del cromo
Figura 3
Sectores industriales donde se utiliza cromo y sus
compuestos
El mecanismo de acción mediante el cual el
Cr(VI) llega a inducir el cáncer pulmonar es una
inestabilidad cromosómica, induciendo fenotipos
tetraploides. También puede inducir la formación
de tumores y fenómenos de bifurcación en
dichos sitios, dentro de los pulmones, donde se
impactan y persisten las partículas de Cr(VI). Se
detectó que dependiendo de la concentración,
así como el tiempo de exposición al Cr(VI), será
el número de células tetraploides alteradas,
mismas que seguirán desarrollándose hasta
formar la masa tumoral [1].
Año 5, Núm.9 | agosto 2014 – enero 2015 | Págs. 35-39
adsorción en carbón, extracción por solventes
e intercambio iónico con resinas sintéticas
(figura 4). Si bien, cualquiera de ellas tiene
alta eficiencia también tienen limitaciones en
términos de sus altos costos de inversión y
mantenimiento, el requerimiento de personal
calificado para la operación de las plantas y la
generación de desechos tóxicos [3].
Conclusiones
El cromo es un metal que es muy utilizado
en procesos industriales, siendo la especie
hexavalente el causante de problemas
ambientales y de salud, debido al mal manejo
de los residuos que lo contienen. Es por ello que
se deben cumplir con los límites establecidos
por instancias regulatorias, haciendo uso de
las técnicas existentes para el tratamiento de
aguas residuales.
Figura 4
Técnicas de tratamiento de aguas residuales
Fuente: imagen tomada de referencia [5].
Límites máximos permisibles de concentración en agua
Los efluentes industriales que contienen cromo
se incorporan a las aguas y llegan a diversos
cuerpos de agua, la forma química dependerá
de la presencia de materia orgánica en las
aguas, ya que si está presente en grande
cantidades, el cromo hexavalente se reducirá a
cromo trivalente, el cual se podrá absorber en
las partículas o formar complejos insolubles.
Toxicidad del cromo hexavalente
El Cr(VI) es un peligro para la salud de los
humanos, mayoritariamente para la gente que
trabaja en la industria del acero y textil. La
gente que fuma tabaco también puede tener
un alto grado de exposición al Cr(VI). Las
intoxicaciones se manifiestan como lesiones
renales, gastrointestinales, del hígado, del riñón,
de la glándula tiroides y la médula ósea, y la
velocidad corporal de eliminación es muy lenta.
Las manifestaciones tóxicas son generalmente
atribuidas a los derivados del Cr(VI). La
acción tóxica se produce por: acción cáustica
directa, sensibilización cutánea, citotoxicidad
e inflamación de neumocitos, interacción
con biomoléculas, alteración de cromátidas
hermanas, aberraciones cromosómicas y
reacciones cruzadas en la cadena de ADN.
38
La Organización Mundial de la Salud
recomienda una concentración máxima de
0.05 mg/L de Cr(VI) en el agua de consumo.
La epa ha establecido un límite de 100 mg de
Cr(III) y Cr(VI) por litro de agua potable. El
peligro del cromo hexavalente en los humanos
y al medio ambiente, ha provocado que las
autoridades ambientales exijan controles
más estrictos sobre los límites permisibles
de este metal. En México, la modificación a
la NOM-127-SSA1-1997 regula los límites
permisibles de calidad y tratamientos a que
debe someterse el agua para su potabilización,
en donde para el cromo total se tiene 0.05
mg/L. En las descargas de aguas residuales,
en la NOM-001-SEMARNAT-1996 y NOM-002SEMARNAT-1996, el cromo hexavalente tienen
un límite máximo permisible (lmp) promedio al
mes de 0.5 mg/L y el lmp promedio al día es
0.75 mg/L [3].
Tecnologías tradicionales para el tratamiento de
agua contaminada
Los tratamientos normalmente recomendados
para remover metales pesados, incluyen
procesos como precipitación, electrodiálisis,
Universidad Autónoma del Estado de México
Fuente: imagen tomada de referencia [3].
Referencias
[1] A. Chávez, “Descripción de la nocividad del
cromo proveniente de la industria curtiembre
y las posibles formas de removerlo”, Revista
Ingenierías Universidad de Medellín, 2010, 9, 41.
[2] H. Reyes; “Estudio de la recuperación de
cromo hexavalente mediante un reactor
electroquímico
de
compartimentos
separados por separadores cerámicos”,
Tesis de Doctorado, Universidad Politécnica
de Valencia, 2007, España.
[3] V. Cruz; “Contaminación de agua potable
Universidad Autónoma del Estado de México
por cromo hexavalente. Caso de Estudio:
Colonia Lechería, municipio de Tultitlan,
Estado de México”, Tesis de Maestría,
Instituto Politécnico Nacional, 2009, México.
[4] E. Julve; “Perspectiva general del cromado
industrial:
Características
físicas
del
recubrimiento y tipos de cromado”, Anales
de la Real Sociedad Española de Química,
2001, 2, 19.
[5] N. Montoya, P. Casas, C. Wandurraga,
“Plomo, cromo III y cromo VI y sus
efectos sobre la salud humana”, Ciencia &
Tecnología para la salud visual y ocular,
2010, 8, 77.
39
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