RT info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
T1 Metal-organic frameworks for adsorption of pollutant molecules in water
A1 Medina Rodríguez, Norberto
K1 Metal-organic frameworks
K1 Water remediation
K1 Emerging organic contaminants
AB El presente Trabajo de Fin de Grado ha sido realizado dentro del grupo deinvestigación MAT4LL de la Universidad de La Laguna. Se trata de un equipomultidisciplinar cuya línea principal de trabajo se centra en el diseño de nuevas fases deextracción basadas en diferentes materiales, siendo las redes metal-orgánicas unos de losprincipales materiales objeto de investigación.Las redes metal-orgánicas, MOFs (Metal-Organic Frameworks), son unasestructuras cristalinas formadas por la combinación de cationes o clusters metálicos yligandos orgánicos. Sus propiedades más relevantes incluyen una porosidad uniforme ypermanente, unos de los mayores tamaños de poros hallados en compuestos cristalinos,unas altas superficies específicas y unas capacidades de adsorción muy altas. Debido alenorme número de posibles combinaciones de cluster metálico y ligando orgánico y a laposibilidad de llevar a cabo procesos de funcionalización in situ o post sintéticos, lavariedad estructural y funcional de los MOFs es muy amplia.Al combinar el amplio control sintético de la química orgánica con la diversidadfuncional y geométrica de los compuestos inorgánicos, los MOFs pueden serdeliberadamente diseñados para aplicaciones específicas. Estas aplicaciones incluyenalmacenamiento de gases, catálisis, almacenamiento de energía, conductividad eléctricao transporte de medicamentos.En los últimos años se han convertido en uno de los materiales más prometedorespara el tratamiento de aguas residuales, con especial énfasis en la eliminación decontaminantes orgánicos emergentes (EOCs, por sus siglas en inglés). Estoscontaminantes provienen de una amplia variedad de fuentes, y en los últimos años se handiversificado enormemente debido al desarrollo de nuevas sustancias y materiales parasu aplicación en diversas industrias. Estudios recientes hacen hincapié en la necesidad dedesarrollar nuevos métodos de tratamiento de aguas residuales para eliminarlos, al serperjudiciales para el medio ambiente y la salud. Al ser el agua un recurso básico para lavida y la salud, su tratamiento y reutilización son factores clave para nuestro planeta.El presente trabajo ha consistido, en primer lugar, en sintetizar y caracterizar tresMOFs diferentes de la familia PCN-250 y, finalmente, llevar a cabo estudios de adsorciónde diferentes contaminantes en agua. Los tres MOFs estudiados han sido el PCN-250(Fe),el PCN-250(Fe2Co) y el PCN-250(Fe-IM). El primer paso ha consistido en el escalado de las reacciones de síntesis halladas en la bibliografía, con el objetivo de obtener la cantidadsuficiente de material para hacer la caracterización completa y los estudios de extracción.Las técnicas utilizadas en la caracterización han sido: la difracción de rayos X de polvo(PXRD, por sus siglas en inglés), estudios de estabilidad en agua, análisis térmico(termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido), espectroscopía infrarroja yfisisorción de gases. Finalmente, el último estudio ha consistido en realizar la prueba deextracción de contaminantes en agua.La técnica de difracción de rayos X de polvo da información sobre la estructuracristalina que subyace en las diferentes muestras que se han ido sintetizando, por lo queha sido utilizada para confirmar que dichas muestras se corresponden con el MOFobjetivo. También ha sido utilizada para comprobar la estabilidad en agua de los MOFs,ya que comparando los difractogramas anteriores y posteriores a la exposición al agua sepuede comprobar si ha habido colapso de la estructura, descomposición o pérdida decristalinidad. Esta prueba es indispensable para evaluar los MOFs para tratamiento deaguas, ya que muchos MOFs son descartados para este propósito por su inestabilidad enesta. El análisis térmico nos da información sobre la estabilidad térmica de la estructura,que es relevante para muchas de las potenciales aplicaciones de estos materiales. Dadaslas características estructurales de la familia PCN-250, se espera de antemano quemuestren una alta estabilidad térmica y en agua. La espectroscopía infrarroja ha sidoutilizada para comprobar la presencia de determinados grupos funcionales en lasestructuras y para comprobar la efectividad de la retirada de moléculas de disolvente delos poros de los materiales. La prueba de fisisorción de gases es una prueba típica paramateriales porosos, ya que da información sobre el tamaño, el volumen y la distribuciónde los poros de los materiales, y usando la teoría BET se puede inferir su superficieespecífica. Finalmente, la prueba de extracción de contaminantes en agua se ha realizadomediante el método de extracción dispersiva miniaturizada en fase sólida (µ-dSPE),utilizando condiciones óptimas con ocho tipos diferentes de contaminantes variados(fenoles, hidrocarburos, medicamentos, cosméticos y bactericidas), para tener una buenaidea del potencial de estos MOFs para la descontaminación de aguas.Los resultados obtenidos de las pruebas enumeradas anteriormente llevan a lassiguientes conclusiones. En primer lugar, dada la coincidencia entre los difractogramasde las muestras sintetizadas y las activadas con los simulados, se puede concluir que lostres MOFs han sido sintetizados correctamente. Además, viendo que en las reacciones escaladas se han obtenido unos rendimientos similares a los de las reacciones de partida,se puede decir que el escalado ha sido asimismo un éxito. También se ha podidocomprobar que el proceso de activación no ha comprometido la estructura cristalina y haconseguido eliminar gran parte de las moléculas de disolvente de los poros de lasmuestras. Por otro lado, se ha podido confirmar la gran estabilidad de la estructura PCN250 tanto al agua (por inmersión a pH neutro hasta 7 días) como a la temperatura (hasta400 ºC). Esto es un buen indicio de que la estabilidad de estos MOFs no será un problemaen aplicaciones futuras. El valor de área superficial específica obtenido de las isotermasde adsorción-desorción de nitrógeno ha confirmado que el material es bastante poroso.Finalmente, los buenos ratios de extracción obtenidos en la prueba de extracciónminiaturizada dispersiva de fase sólida lleva a la conclusión de que el MOF PCN-250(Fe)tiene potencial para la extracción de contaminantes del agua y formará parte de futurostrabajos del grupo de investigación.
YR 2021
FD 2021
LK http://riull.ull.es/xmlui/handle/915/25016
UL http://riull.ull.es/xmlui/handle/915/25016
LA es
DS Repositorio institucional de la Universidad de La Laguna
RD 14-oct-2024