Sorption on semi dessertic soil

1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA
TÉSIS PROFESIONAL
Metepec, México, a 20 de Febrero de 2015
S.E.P. S.E.S.T.N.M. T.N.M.
Presenta:
Benjamín Portillo Rodríguez
Asesor I.
Dr. José Luis García Rivas.
Asesor E.
Dra. Melania Jiménez Reyes.
“SORCIÓN DE LANTANO EN EL MATERIAL
INORGÁNICO DE UN SUELO SEMIDESÉRTICO”

2. • Características del suelo
• Cinética de Sorción
• Isoterma de Sorción
• Conclusiones
•Separación de los materiales
•Purificación
•Caracterización suelo (DRX,
MEB, pH)
•Cinética e Isoterma de
sorción
•Isótopo radiactivo
•Detector de NaI(Tl)
• Objetivos generales
• Objetivos específicos
• Antecedentes
• Problemática
• Características entre
lantánidos y actínidos
Introducción Objetivos
Resultados
y DiscusiónMétodo
2

3. PROBLEMÁTICA
 Los complejos que forman los
lantánidos son interesantes debido
a que son ampliamente usados en
la industria y, además, algunos de
ellos se encuentran formando
parte de los desechos
radiactivos[1].
3
[1] M. Jiménez Reyes, M. Solache Ríos, (21012), J Radioanal Nucl Chem, 293:273-278
[2] U.S. Geological survey minerals yearbook, http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/myb.html
Figura 1. Uso de las lantánidos en la vida diaria [2]
 Similitud con los actínidos, los
cuales son difíciles de estudiar
debido a sus vidas medias altas
(21.8–1.6x107 Años) y que
también son emisores alfa.[3]
Figura 2. Uranio

4. CARACTERÍSTICAS ENTRE LANTÁNIDOS Y ACTÍNIDOS
4
Elemento Número
Atómico
Radio Iónico,
Å
La 57 1.061
Ce 58 1.034
Pr 59 1.013
Nd 60 0.995
Pm 61 0.979
Sm 62 0.964
Eu 63 0.950
Elemento Número
Atómico
Radio Iónico,
Å
Ac 89 1.11
Th 90
Pa 91 1.04
U 92 1.03
Np 93 1.01
Pu 94 1.0
Am 95 0.98
Tabla 1. Radio atómico lantánidos[3]
[3] Ryabchikov D.I. y Ryabchikov A.V, (1970), Analytical Chemistry of Yttrium and the Lanthanide Elements pp. 6- 11
Tabla 2. Radio atómico actínidos[3]
Contracción Lantánida

5. OBJETIVOS GENERALES
• Estudio de la Química de actínidos y lantánidos
• Conocer el comportamiento químico del lantano frente a los
componentes inorgánicos y orgánicos del suelo
5

6. OBJETIVO ESPECÍFICO
• Conocer el comportamiento químico de los
materiales inorgánicos del suelo (caracterización,
pH, sorción), del Centro de Almacenamiento de
Desechos Radiactivos (CADER), frente a uno de los
elementos de las tierras raras, el lantano
6[4] Hernández-Trejo U, et. al. (2011), Memorias del 48 Congreso de química
Figura 3. Predio del CADER[4]

7. ANTECEDENTES
Este trabajo forma parte de cinco líneas de investigación que están estrechamente
interrelacionadas, ya que en todas ellas se pretende estudiar, desde varios ángulos, a ambos
grupos de elementos (actínidos y lantánidos)[5]
• Línea 1, estudian complejos de actínidos y lantánidos con macromoléculas
• Línea 2, comportamiento químico de los lantánidos frente a los componentes inorgánicos y
orgánicos del suelo
• Línea 3, adsorción de lantánidos y actínidos sobre diversos materiales
• Línea 4, determina el contenido de actínidos y lantánidos en sedimentos marinos y lacustres
• Línea 5, formación de complejos en medio acuoso de algunos lantánidos
7
[5] http://www.inin.gob.mx/plantillas/investigacion.cfm?clave=4&campo=CB-208&id=337&year=2013

8. MÉTODO
• Separación de los materiales inorgánicos (MI) y orgánicos del suelo
• Purificación
8
Muestras de 100g, el métodos es una mezcla de
varias técnicas (TIURIN, O.R.S.T.O.M.),[1,6] que
consiste en poner la muestra de suelo en un
medio de pH variable (1≤10)
Acido Húmico (AH) = Soluble en medio alcalino e insoluble en
medio acido
Acido Fúlvico (AF) = Soluble en medio acido y alcalino[7]
Acido Húmico.
• Tubo de diálisis en agua 24 horas
• Prueba de cloruros
• Secado a 60°C y almacenado
• Rendimiento de ácidos húmicos fue de
0.032±0.007 %
Material Inorgánico.
• pH 7, NaOH
• Lavado y secado
• Tamizado malla #20 y 30
[6] Zhenghua W., et. al.(2001) Chemical Speciation and Bioavailability, 13(3), 75.
[7] http://www.ipipotash.org/en/, International Potash Institute

9. MÉTODO
• Difracción de rayos x (DRX) Siemens D-5000
• Microscopía electrónica de barrido (MEB) JEOL-6460LV a 20 kV
• Efecto del pH Gemini BV, TIM900 Titration Manager, Radiometer
• Cinética e Isoterma de sorción[8-11]
9
Agua, 5 mL
Solución Lantano, 100 L [300 g de La/mL pH = 3]
Solución AH, 100 L [2.8 x10-3M pH =7]
Modelo de Langmuir
Modelo de Freundlich
Modelo de Langmuir – Freundlich
Primer orden (Lagergren)
Elovich
Pseudo segundo orden (Ho)
[8] Cortés-Martínez, (2007), Tesis de Doctorado. Centro Interamericano de Recursos del Agua.
[9] Hidalgo-Vázquez, (2010), Tesis profesional de biólogo. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
[10] Jiménez–Moleón., (2002), XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Cancún.
[11] Pinedo-Hernández, (2010), Tesis profesional de Ingeniero Químico. Instituto Tecnológico de Toluca.

10. MÉTODO
• Obtención del isótopo radiactivo 140La
10
139La + nt
140La + 
140La 140Ce + - + 
MA
A
NAbm
N  






 

t
1
λ
e1
1
NΦ
1
A 
Figura 4. Reacción (n, gamma) de formación y decaimiento del isótopo
140La
Ecuaciones para el calculo de la radiactividad [12,13]
[12] Lederer C. M, I. M, Derlman I. (1967). “Table of Isotopes” , 6ª Edition, pag 79.
[13] Navarrete M., Cabrera L., (1979) “Introducción al Estudio de los Radioisótopos”, Colección Ediciones del Sector Eléctrico. CFE.
Obtenido = 2.67E+05 Bq
Permitido = 1.00E+06 Bq

11. MÉTODO
• Detector de NaI(Tl), mono-canal de pulsos (Picker Spectroscaler)
11[14] Vega-Carrillo H.R., et. al. (2006) First American IRPA Congress 2006, Acapulco. Guerrero, Unidades Académicas de Estudios Nucleares e Ingeniería Eléctrica.
[15] Jiménez-Reyes. M. (1978). Ciencia y Desarrollo 23, p. 67.
Figura 5. Componentes típicos de un espectrómetro de radiación gamma con un
detector de centelleo [14,15]

12. RESULTADOS
• DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX)
12
Figura 6. Difractograma de una muestra del MI del suelo
1: Albita, Feldespato (Arena)
NaAlSi3O8
2: Cordierita
(Mg,Fe)2 Al4 Si5 O18 nH 2 O
3: Cuarzo (Arena)
SiO2
4: Montmorillonita (Arcilla)
(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10
(OH)2·n(H2O)
5: Magnesio Hornblenda
Ca2[Mg4(Al,Fe3+)](Si7Al) O22(OH)2
Tabla 3. Minerales identificados

13. RESULTADOS
• MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB)
13
Elemento Porcentaje (n=5)
C 23±3
O 47±3
Na 1.2±0.4
Mg 0.2±0.1
Al 6±2
Si 15±2
K 0.21±0.05
Ca 1.3±0.7
Ti 0.2±0.1
Mn 0.2±0.1
Fe 3.4±3.3
Tabla 4. Porcentaje elemental obtenido por EDAX
Figura 7. Imagen obtenida mediante (MEB)

14. RESULTADOS
• EFECTO DEL pH
14
Tiempo de contacto
Experimento #
10 min 1 h 1.3 h 24 h
1 : MI/agua 4.77 5.02 5.02 5.15
2: MI/agua/solución de lantano 4.06 4.73 4.85 4.87
3: MI/agua/ solución de lantano/
solución de ácidos húmicos
5.50 5.65 5.75 5.89
Tabla 5. Mediciones de pH

15. RESULTADOS
15
Figura 8. Diagrama de distribución de especies
MEDUSA[16]
La3+ (98.7%)
LaOH2+ (0.9%)
La(OH)3 (0.1%)
[16] Puigdomenech I, (2013) “Program MEDUSA (Make Equilibrium Diagrams Using Sophisticated Algorithms”, Royal Institute of Technology Inorganic Chemistry. 10644 Stockholm
Sweden. ignaci@inorg.kth.se

16. RESULTADOS
• CINÉTICA DE SORCIÓN
16
[La+3] Irrad, M 7.2 x10-4
[La+3] Irrad, mg/L 100
La+3* experimental, ml 0.1
Volumen agua, mL 5
Volumen total, mL 5.1
La+3, mg /5.1mL 0.01
MI masa, g 0.05
Tabla 6. Cantidades y concentraciones utilizadas para la
parte experimental de la cinética
Figura 9. Resultados de la cinética de sorción

17. RESULTADOS
17
Modelo Ecuación Parámetro Valores
Pseudo
Segundo
Orden (Ho)
K
qe
R2
5.4
0.185
0.9994
Difusión por
transferencia
de masa
intraparticular
1. qt1=Kt1/2+C
2. qt2=Kt1/2+C
3. qt3=Kt1/2+C
K
C
R2
0.26
0.017
0.885
K
C
R2
0.033
0.17
0.9763
K
C
R2
0.002
0.174
0.70
t
qqkq
t
eet
*
1
*
1
2

Figura 10 . Aplicación del modelo (Ho) a los datos experimentales
Figura 11. Aplicación del modelo de difusión por transferencia de masa intraparticular
Tabla 7. Resultados de los modelos cinéticos aplicados a los datos
experimentales

18. RESULTADOS
• ISOTERMA DE SORCIÓN
18
[La+3]*, M 7.2x10-4
[La+3]*, mg/L 100
La+3* experimental, ml 0.1
La+3 Stock, M 7.2x10-3
[La+3] Stock, mg/L 1000
Volumen agua, ml 5
MI masa, g 0.05
Tabla 8. Concentraciones utilizadas para la parte
experimental de isoterma
(20, 50, 75, 100, 120, 125, 150, 175 y 200 L)
Figura 12. Isoterma de Sorción
 Modelo de Freundlich
Figura 13. Isoterma de sorción aplicando el modelo de Freundlich
Modelo R2
Freundlich 0.978
Langmuir 0.6
Langmuir-
Freundlich
negativo
Tabla 9. Resultados de los diferentes modelos de isotermas

19. RESULTADOS
• CÁLCULO DE LA VIDA MEDIA DEL 140La
19
Isótopo Vida Media Tipo de decaimiento
Abundancia (%)
Sección eficaz de captura
de neutrones térmicos
(σc), barns
Tipo de emisión
(MeV)
Principal
Método de
Producción.
años
años
CE = 70%, =30%
CE = 53%, =47%
CE = 94%. =6%
=0.21 max
γ = Ba-rayos X,
0.81 (30%), 1.426
(70%)
% = 99.911
= 8.9
40.22h
40.27h
40.3h
40.0h
=2.175 (6%)
1.36 máx
γ :
0.329 (20%),
0.487 (40%),
0.815 (19%),
0.923 (10%),
(n, γ)
Fisión del 238U
La138
La139
La140
11
1012.1 x
11
101.1 x








C




La139
Figura 14. Gráfica del logaritmo de la radiactividad del
140La vs. tiempo. log Radiactividad = -0.0075 t + 5.7507
Tabla 10. Algunos datos sobre los isótopos naturales del lantano y del 140La [12,17]
horast
A
Log
6.40
0075.0
7507.5
2
2/1
0




















[17] Lederer C. M, Sherley V. S. (1978). “Table of Isotopes”, 7a Edition, pag. 749

20. CONCLUSIONES
• El comportamiento del lantano frente a algunos componentes del suelo[5] reveló que el La3+
prácticamente no es sorbido por una mezcla de cuarzo y feldespato (albita).
20
[19] Stokes. J., et. al. (1999). Material Science Forum Vols. 315-317, pp. 361-367.
• Sin separación previa de materiales orgánicos e inorgánicos, reveló que los parámetros de las
isotermas guardaban correlación con el contenido de arcilla y en particular, los parámetros del
modelo de Freundlich.[18] En ambos se encontró una disminución de pH debida a la sorción.
• También se reportado que los principales factores que controlan la capacidad de sorción, son el
tipo de arcilla[19] (montmorillonita) y el contenido de óxidos de hierro amorfos en el suelo
(3.4±3.3 % de hierro en el material del presente trabajo).
• Con base en lo anterior, efectivamente el lantano se sorbe en el material inorgánico del suelo, y
esto se debe a dos fenómenos:
[18] Ran Yong, Liu Zheng. (1993). Acta Scientiae Circumstantiae, 23, 288.

21. CONCLUSIONES
• a) La sorción en la montmorillonita[21], describe el mecanismo de sorción de cationes
en ese mineral por medio del intercambio iónico, ya que cuando la fuerza iónica y el pH
son bajos, como las condiciones experimentales del presente trabajo, el intercambio
iónico es el mecanismo dominante. Los sitios anfotéricos, consistentes de aluminol,
silanol y grupos puente >Al –OH-Si< son considerados como los sitios de enlace[20].
21
[22] Pepper S. E., et. al. (2006). Radiochimica Acta, 94(4), 229
• b) La sorción en oxohidróxidos de hierro. La sorción del lantano ha sido estudiada en
goetita, un oxohidróxido de hierro (FeO(OH))[22] y el principal mecanismo propuesto
fue la formación de la especie insoluble FeOHLa3+, que implica la liberación de iones
H+ a la solución.
[20] Campos B., J. et. al. (2013). Applied Clay Science 85, 53–63
[21] Hyun S.P., et. al. (2001). Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 250(1), 55-62

22. AGRADECIMIENTOS
Esta investigación fue realizada en el Instituto Nacional de Investigaciones
Nucleares (ININ) bajo la dirección de la Dra. Melania Jiménez Reyes.
• Agradezco al ININ por haber proporcionado los recursos necesarios durante
el desarrollo de la Residencia Profesional.
• Hago un reconocimiento a: las Dras. Fabiola Monroy Guzmán y Edelmira
Fernández Ramírez por haber proporcionado las muestras del suelo y al Dr.
Marcos José Solache Ríos por su apoyo durante la experimentación y la
discusión de resultados.
• A mis padres, hermanos y amigos.
Benjamín Portillo Rodríguez
22