Síntesis y caracterización de quitosano imino fenil 2-hidroxi-3-metoxi como nuevo adsorbente para la remoción eficaz de naranja de metilo

Por qué importa limpiar el agua coloreada

Muchos productos cotidianos —desde ropa intensamente teñida hasta papel impreso— dejan residuos químicos coloridos en el agua. Estos colorantes sintéticos pueden persistir durante mucho tiempo, perjudicando a la vida acuática y potencialmente afectando a la salud humana incluso a niveles muy bajos. Este estudio explora un nuevo material, derivado de plantas y de cáscaras marinas, que puede captar y eliminar uno de estos colorantes, llamado naranja de metilo, del agua de forma rápida y eficiente, ofreciendo un método más respetuoso con el medio ambiente para tratar las aguas residuales de la industria textil y sectores relacionados.

Un aliado natural procedente de residuos de mariscos

El punto de partida de este trabajo es el quitosano, una sustancia obtenida de la quitina, el material estructural presente en las cáscaras de camarones, cangrejos y otros crustáceos. El quitosano es económico, biodegradable y no tóxico, y ya muestra afinidad por diversos contaminantes. Sin embargo, el quitosano ordinario no siempre se une a los colorantes con suficiente firmeza ni permanece estable en condiciones reales de tratamiento. Los investigadores se propusieron mejorar este material natural uniendo a su estructura un pequeño componente orgánico adicional, creando nuevos sitios de unión diseñados para capturar las moléculas del colorante con mayor eficacia.

Construyendo perlas limpiadoras más inteligentes

Para fabricar el material mejorado, el equipo primero formó el quitosano en pequeñas perlas usando un ácido suave y un baño de hidróxido de sodio, lo que dio lugar a partículas esféricas que pueden manipularse y separarse fácilmente del agua. A continuación, reaccionaron estas perlas con un compuesto llamado 2-hidroxi-3-metoxibenzaldehído mediante calentamiento por microondas. Este paso creó nuevos enlaces químicos, conocidos como enlaces imina, entre el quitosano y la molécula añadida, produciendo lo que denominan quitosano imino fenil 2-hidroxi-3-metoxi. Imágenes de microscopía mostraron que las perlas modificadas tenían una superficie más rugosa y porosa que las perlas de quitosano originales, y las mediciones del área superficial revelaron que el área disponible para la unión aumentó aproximadamente cinco veces, de 8,6 a 42,8 metros cuadrados por gramo.

Cómo las perlas atrapan las moléculas del colorante

El equipo investigó la estructura y el comportamiento de las nuevas perlas con varias técnicas. La espectroscopía infrarroja confirmó que se habían formado los enlaces químicos previstos y que los grupos amina libres originales del quitosano se habían convertido en gran medida en las nuevas estructuras imina. Mediciones por rayos X mostraron que el material se volvió más amorfo —es decir, menos ordenado— tras la modificación y la captura del colorante, lo cual es típico cuando las cadenas poliméricas flexibles se alteran químicamente. Cuando se permitió el contacto del naranja de metilo con las perlas, los cambios en las señales infrarrojas indicaron que actuaban varios tipos de interacciones: atracción eléctrica entre sitios cargados positivamente en la superficie de la perla y grupos cargados negativamente del colorante, enlaces por puente de hidrógeno y apilamiento entre anillos aromáticos planos tanto del colorante como de los grupos orgánicos añadidos. En conjunto, estas fuerzas explican por qué el colorante se adhiere tan firmemente al quitosano modificado.

Encontrar las mejores condiciones para la limpieza

Los investigadores variaron sistemáticamente la acidez del agua (pH), el tiempo de contacto, la concentración de colorante, la temperatura y la dosis de perlas para entender y optimizar el rendimiento. Las perlas funcionaron mejor en agua ligeramente ácida, alrededor de pH 4, donde su superficie presenta cargas positivas que atraen al colorante cargado negativamente. Bajo estas condiciones, la mayor parte del colorante se eliminó en unos 20 minutos, con poca mejora a tiempos mayores, lo que demuestra que el proceso es rápido. El aumento de la temperatura redujo la cantidad de colorante capturado, lo que indica que la unión libera calor y es menos favorable a temperaturas más altas. Modelos matemáticos de los datos sugirieron que las moléculas de colorante forman una única capa compacta sobre sitios uniformes en la superficie de la perla y que el paso limitante de la velocidad implica enlaces químicos más que una simple adsorción física.

Rendimiento, reutilización y promesa en el mundo real

En comparación con muchos otros sorbentes de bajo coste hechos a partir de cáscaras de plantas, cáscaras de huevo, minerales arcillosos o quitosano sin modificar, las nuevas perlas destacaron por un amplio margen, captando hasta unos 445 miligramos de naranja de metilo por gramo de material y eliminando más del 98 por ciento del colorante en condiciones optimizadas. Es importante señalar que las perlas pudieron regenerarse mediante un sencillo lavado ácido y reutilizarse al menos cinco veces conservando más del 84 por ciento de su eficiencia original. En conjunto, este estudio muestra que las perlas de quitosano inteligentemente modificadas, derivadas de abundantes residuos biológicos, pueden actuar como "esponjas" poderosas y reutilizables para colorantes persistentes, apuntando hacia opciones de tratamiento de aguas residuales industriales más ecológicas y asequibles.

Cita: Khan, R., Zoreen, S., Khan, A. et al. Synthesis and characterization of 2-hydroxy-3-methoxyphenyl imino chitosan as a novel adsorbent for effective removal of methyl orange. Sci Rep 16, 14402 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50311-w

Palabras clave: tratamiento de aguas residuales, eliminación de colorantes, perlas de quitosano, biosorbente, naranja de metilo