Cinética de adsorción e isotermas de eliminación del verde malaquita de soluciones acuosas usando TiO2 soportado en un nanocompuesto de f-MWCNTs

Por qué importa limpiar las aguas residuales coloreadas

Los tintes sintéticos brillantes nos dan ropa, cuero y papel coloridos, pero cuando estos productos químicos se vierten por los desagües de las fábricas pueden persistir en ríos y lagos durante años. Uno de esos tintes, llamado verde malaquita, es especialmente preocupante porque es tóxico, de larga duración y se ha relacionado con el cáncer. Este estudio explora un nuevo tipo de material limpiador a escala nanométrica —un nanocompuesto— que puede extraer el verde malaquita del agua de forma muy rápida y eficiente, apuntando a vías más rápidas y prácticas para tratar aguas residuales industriales contaminadas.

Un tinte resistente y un nuevo limpiador diminuto

El verde malaquita se usa ampliamente en textiles y el curtido de cuero e incluso se ha aplicado, de forma polémica, en la acuicultura como agente antimicrobiano. Una vez liberado al medio ambiente, no se descompone con facilidad, y los métodos de tratamiento convencionales suelen tener dificultades para eliminarlo por completo. Los investigadores se propusieron diseñar una “esponja” mejor para este tinte combinando dos materiales avanzados: nanopartículas de dióxido de titanio y nanotubos de carbono de paredes múltiples cuyas superficies fueron químicamente «funcionalizadas» con grupos conteniendo oxígeno. Al cargar dióxido de titanio sobre estos nanotubos funcionalizados, crearon un material híbrido pensado para ofrecer tanto una gran área superficial como numerosos sitios activos donde las moléculas del tinte puedan adherirse.

Construcción y análisis del material híbrido de nanotubos

El equipo sintetizó el nanocompuesto mediante un proceso hidrotermal, en el que el polvo de dióxido de titanio se trata en una solución alcalina caliente y luego se fija a los nanotubos de carbono en agua bajo agitación prolongada. Examinaron cuidadosamente el polvo resultante con una batería de microscopías y técnicas espectroscópicas. Estas pruebas confirmaron que el dióxido de titanio conservó su estructura cristalina y se distribuyó de manera uniforme sobre la red de nanotubos en lugar de formar agregados separados. Mediciones de adsorción de gases revelaron una arquitectura altamente porosa, tipo esponja, con más del doble de área superficial que el dióxido de titanio simple, lo que significa mucho más espacio para capturar moléculas de tinte durante el tratamiento.

Eliminación rápida y eficaz del tinte en el agua

Para evaluar la capacidad de limpieza del nuevo material, los investigadores realizaron experimentos por lotes en los que pequeñas cantidades del nanocompuesto se agitaron con soluciones de verde malaquita en diferentes condiciones. Encontraron que el rendimiento dependía fuertemente de la acidez del agua: la eliminación fue modesta en condiciones ácidas pero superó el 95 por ciento alrededor de un pH ligeramente básico de 8, donde la superficie del material adquiere carga negativa que atrae al tinte cargado positivamente. De manera notable, en estas condiciones óptimas —pH 8, apenas 0,005 gramos de adsorbente en 10 mililitros de solución y temperatura ambiente— el sistema alcanzó el equilibrio en unos 10 minutos, logrando una capacidad de adsorción de aproximadamente 39 miligramos de tinte por gramo de material. Esto es comparable o superior a muchos adsorbentes convencionales, pero con una limpieza mucho más rápida.

Cómo se adhiere el tinte a la superficie del nanotubo

Al ajustar los datos experimentales a modelos matemáticos estándar que describen cómo las moléculas se unen a superficies, los autores concluyeron que el verde malaquita forma principalmente una sola capa sobre una superficie relativamente uniforme, como describe el modelo de Langmuir. Al mismo tiempo, otros modelos que consideran afinidades de unión variadas y múltiples capas también se ajustaron bien a los datos, lo que sugiere una mezcla de mecanismos físicos y químicos de adhesión. El modelo temporal que mejor encajó indicó que la unión no es solo cuestión de moléculas chocando con la superficie, sino que implica interacciones más fuertes, como atracción electrostática entre cargas opuestas y contactos específicos con grupos superficiales. La microscopía y las mediciones infrarrojas antes y después de la captación del tinte respaldaron además un escenario en el que las moléculas de tinte se agrupan en las superficies externas y dentro de los poros sin alterar la estructura cristalina subyacente.

Reutilización y potencial para una industria más limpia

Para que cualquier tecnología de tratamiento de agua sea práctica, el medio de limpieza debe ser reutilizable. Los investigadores demostraron que el nanocompuesto podía regenerarse lavándolo con una solución simple de hidróxido de sodio y reutilizarse al menos cinco veces con casi ninguna pérdida de rendimiento. En conjunto, el estudio muestra que una combinación cuidadosamente diseñada de dióxido de titanio y nanotubos de carbono funcionalizados puede actuar como una esponja de tinte rápida, robusta y reciclable. Aunque estas pruebas se realizaron en soluciones de laboratorio simplificadas en lugar de efluentes reales de fábrica, los resultados sugieren una vía prometedora hacia unidades de tratamiento compactas que puedan rápidamente eliminar colorantes nocivos como el verde malaquita de las aguas residuales antes de que lleguen al medio ambiente.

Cita: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Palabras clave: tratamiento de aguas residuales, verde malaquita, adsorbente nanocompuesto, dióxido de titanio, nanotubos de carbono