Síntesis y caracterización de hidrogeles magnéticos basados en 2-Hidroxietilmetacrilato y ácido itacónico para la remoción del colorante azul de metileno

Abstract

En este trabajo de investigación se realizó la síntesis y caracterización de una serie de hidrogeles (HG) e hidrogeles magnéticos (HGM) y su aplicación en la remoción del colorante azul de metileno de soluciones acuosas. Los hidrogeles HG basados en poli(2-hidroxietilmetacrilato-co-ácido itacónico) p(HEMA-co-AI) y poli(2-hidroxieltilmetacrilato-co-itaconato de sodio) p(HEMA-co-IS) fueron preparados a través de la copolimerización por vía radicalaria. El N,N-metilenbisacrilamida (MBA) fue utilizado como reticulante y el persulfato de amonio (APS) junto con tetrametiletilendiamina (TEMED) fueron utilizados como iniciador y acelerador, respectivamente. La influencia de ácido itacónico (AI) y el itaconato de sodio (IS) sobre el comportamiento de hinchamiento en agua, y en soluciones de diferente pH fueron estudiados. Los resultados indican que los hidrogeles p(HEMA-co-AI) tienen alto grado de hinchamiento y respuesta al pH. En cambio, los hidrogeles p(HEMA-co-IS) tienen un grado de hinchamiento superior al de los hidrogeles p(HEMA-co-AI), pero tienen pobre respuesta al pH. Además, los hidrogeles p(HEMA-co-IS) describen un comportamiento de hinchamiento conocido como “overshooting”, el cual es explicado a través de un intercambio de cationes. Por otro lado, la preparación de los hidrogeles magnéticos fue realizada a través de la síntesis in situ, es decir, partículas de Fe3O4 fueron sintetizadas dentro de la matriz polimérica de los hidrogeles p(HEMA-co-AI). Las propiedades estructurales, térmicas, magnéticas, texturales y morfológicas fueron estudiadas por FT-IR, DRX, TGA, VSM, N2 ad/desorción y SEM. Estos hidrogeles magnéticos fueron utilizados para remover el colorante catiónico azul de metileno (AM). Los resultados muestran que el 91% de AM (200 mg/L) fue removido con una dosis de 1 mg/mL, en un pH de 6.8 y un tiempo de contacto de 10 min. Además, los estudios termodinámicos demuestran que el proceso de adsorción es espontáneo y endotérmico. Los datos obtenidos se ajustan a la isoterma de Langmuir, y la cinética de adsorción siguió una cinética de pseudo-segundo orden. Los estudios de adsorción-desorción indican que el hidrogel magnético puede ser utilizado para remover el 90% de AM durante cuatros ciclos. Por lo tanto, es adecuado como material alternativo para la adsorción de AM.

In this research work, the synthesis and characterization of a series of hydrogels (HG) and magnetic hydrogels (HGM) and their application in the removal of methylene blue dye from aqueous solutions were carried out. HG hydrogels based on poly(2-hydroxyethylmethacrylate-co-itaconic acid) p(HEMA-co-AI) and poly(2-hydroxyethylmethacrylate-co-sodium itaconate) p(HEMA-co-IS) were prepared via radical copolymerization. N,N-methylenebisacrylamide (MBA) was used as crosslinker, and ammonium persulfate (APS) together with tetramethylethylenediamine (TEMED) were used as initiator and accelerator, respectively. The influence of itaconic acid (IA) and sodium itaconate (SI) on the swelling behavior in water, and in solutions of different pH were studied. The results indicate that p(HEMA-co-AI) hydrogels have a high degree of swelling and pH response. In contrast, p(HEMA-co-IS) hydrogels have a higher degree of swelling than p(HEMA-co-AI) hydrogels but have poor response to pH. Moreover, p(HEMA-co-IS) hydrogels describe a swelling behavior known as overshooting, which is explained through cation exchange. On the other hand, the preparation of the magnetic hydrogels was performed through in situ synthesis, i.e., Fe3O4 particles were synthesized inside the polymeric matrix of the p(HEMA-co-AI) hydrogels. The structural, thermal, magnetic, textural, and morphological properties were investigated by FT-IR, XRD, TGA, VSM, N2 ad/desorption, and SEM. These magnetic hydrogels were used to remove the cationic dye methylene blue (MB). The results show that 91% of MB (200 mg/L) was removed at a dose of 1 mg/mL, at a pH of 6.8, and a contact time of 10 min. Furthermore, thermodynamic studies show that the adsorption process is spontaneous and endothermic. The data obtained conform to the Langmuir isotherm, and the adsorption kinetics followed pseudo-second order kinetics. Adsorption-desorption studies indicate that the magnetic hydrogel can be used to remove 90% of AM during four cycles. Therefore, it is suitable as an alternative material for MB adsorption.