Estudio de la interacción quitosano-metales pesados y su inmovilización en matrices cementicias

Abstract

El desarrollo de nuevos composites cemento-aditivo para la obtención de morteros con propiedades mejoradas es una de las líneas con mayor perspectiva de investigación en la química de los conglomerantes para la construcción. El presente trabajo propone el estudio de un nuevo aditivo polimérico, el quitosano, y la investigación de su influencia en las propiedades de los morteros de cemento. El estudio se extiende a tres derivados de este biopolímero: dos no-iónicos (hidroxipropil e hidroxietilquitosano) y uno iónico (carboximetilquitosano). El trabajo se completa con la evaluación de la capacidad de estos sistemas para servir como agentes para la solidificación/estabilización de metales pesados. En primer lugar, se ha evaluado la capacidad del quitosano para retener metales pesados mediante estudios electroquímicos. Este polímero ha demostrado ser capaz de complejar de manera efectiva los metales seleccionados (Zn, Pb, Cd, Cu, Mo y Cr) a pH4, siendo determinantes el peso molecular y la dilución. El estudio del carboximetilquitosano ha manifestado su capacidad para unir Pb y Zn a pH cercano a la neutralidad, mientras que en valores alcalinos la complejación resulta casi nula. La influencia de la adición de los polímeros en los morteros de cemento se ha evaluado mediante ensayos normalizados en estado fresco y en endurecido. Adicionalmente, para la elucidación de los mecanismos se han realizado experimentos en pastas de cemento. La incorporación de quitosano modifica el comportamiento reológico del mortero, incrementando su viscosidad. La naturaleza del grupo introducido en la cadena de los derivados resulta determinante de cara a los efectos producidos. Los derivados no-iónicos apenas modifican las propiedades, mientras que el derivado iónico es, entre los aditivos estudiados, el que tiene mayor influencia en las propiedades de mortero. La presencia de carboximetilquitosano, incluso a baja dosificación, aumenta drásticamente la viscosidad de la muestra, reduce el periodo de trabajabilidad, retrasa la hidratación de las fases de cemento e incrementa la cantidad de poros del mortero endurecido. Se han utilizado estudios de potencial zeta y tamaño de partícula para esclarecer el mecanismo de acción, que en este caso apunta a la formación de aglomerados entre el polímero y las partículas de cemento. La presencia de metales pesados produce una notable influencia en las propiedades del estado fresco y en la resistencia a compresión de los morteros. La adición de los polímeros ha atenuado los efectos contraproducentes de los metales, especialmente en la trabajabilidad. Cabe destacar la gran mejora en la resistencia a compresión aportada por los quitosanos en aquellos morteros en los que se ha incorporado Zn a la mezcla. La efectividad de la retención de los metales en morteros aditivados se ha llevado a cabo mediante un test de lixiviación semi-dinámico. Los datos obtenidos reflejan que la lixiviación en presencia de los polímeros apenas se ve modificada, por lo que se puede afirmar que los quitosanos pueden utilizarse para compensar los efectos de la incorporación de Cr, Pb y Zn sin comprometer la eficacia de su retención. De hecho, la retención de Zn en presencia del quitosano de menor peso molecular se ve aumentada. Por último, se ha evaluado la lixiviación en probetas en las que el metal se incorpora tras la formación previa en disolución del complejo CMCH-metal. Este test ha revelado una disminución de la cantidad de Pb y Zn liberada por lo que puede afirmarse que la retención de estos elementos metálicos en morteros de cemento mejora al añadirlos complejados.