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.
Pres...
• Características del suelo
• Cinética de Sorción
• Isoterma de Sorción
• Conclusiones
•Separación de los materiales
•Puri...
PROBLEMÁTICA
 Los complejos que forman los
lantánidos son interesantes debido
a que son ampliamente usados en
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CARACTERÍSTICAS ENTRE LANTÁNIDOS Y ACTÍNIDOS
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Elemento Número
Atómico
Radio Iónico,
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La 57 1.061
Ce 58 1.034
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OBJETIVOS GENERALES
• Estudio de la Química de actínidos y lantánidos
• Conocer el comportamiento químico del lantano fren...
OBJETIVO ESPECÍFICO
• Conocer el comportamiento químico de los
materiales inorgánicos del suelo (caracterización,
pH, sorc...
ANTECEDENTES
Este trabajo forma parte de cinco líneas de investigación que están estrechamente
interrelacionadas, ya que e...
MÉTODO
• Separación de los materiales inorgánicos (MI) y orgánicos del suelo
• Purificación
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MÉTODO
• Difracción de rayos x (DRX) Siemens D-5000
• Microscopía electrónica de barrido (MEB) JEOL-6460LV a 20 kV
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MÉTODO
• Obtención del isótopo radiactivo 140La
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MÉTODO
• Detector de NaI(Tl), mono-canal de pulsos (Picker Spectroscaler)
11[14] Vega-Carrillo H.R., et. al. (2006) First ...
RESULTADOS
• DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX)
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Figura 6. Difractograma de una muestra del MI del suelo
1: Albita, Feldespato ...
RESULTADOS
• MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB)
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Elemento Porcentaje (n=5)
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Mg 0.2±0.1
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RESULTADOS
• EFECTO DEL pH
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RESULTADOS
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Figura 8. Diagrama de distribución de especies
MEDUSA[16]
La3+ (98.7%)
LaOH2+ (0.9%)
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• CINÉTICA DE SORCIÓN
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• ISOTERMA DE SORCIÓN
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[La+3]*, mg/L 100
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RESULTADOS
• CÁLCULO DE LA VIDA MEDIA DEL 140La
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Isótopo Vida Media Tipo de decaimiento
Abundancia (%)
Sección eficaz de...
CONCLUSIONES
• El comportamiento del lantano frente a algunos componentes del suelo[5] reveló que el La3+
prácticamente no...
CONCLUSIONES
• a) La sorción en la montmorillonita[21], describe el mecanismo de sorción de cationes
en ese mineral por me...
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación fue realizada en el Instituto Nacional de Investigaciones
Nucleares (ININ) bajo la dire...
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  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

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